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1、1 绪论1.1 课题研究的背景随着改革开放三十年的社会发展，人们的生活水平得到了质的飞跃。尤其我国的北部地区一到冬、春季节，人们就不得不吃泡菜，很少能吃上新鲜的蔬菜。面对此情况，近几年来，温室大棚在北方得到了广泛的应用，其技术也得到了飞速的发展。但在07年年底08年年初的特大雪灾中就对温室大棚的构造提出了严峻的考验，面临这种形式，其顶棚的抗载设计和墙体的保温设计就显得非常的重要。为满足不同地区,不同季节,不同气候条件下的动植物生长需要,温室大棚应运而生.而随着科技的发展,随着各种蔬菜,瓜果,花卉,作物的育种育苗和栽培以及一些特种养殖业对温,湿,光,水,肥,气等环境因子所提出来的越来越高的要求,
2、温室大棚经历了由低档到高档,由传统到现代的不断更新与发展1.1.2 我国温室大棚的历史发展与现状（1）温室大棚骨架温棚骨架是温室大棚的主体,是整个温棚的承载体,决定了温棚整体质量的优劣.早期的原始的大棚骨架以竹木为主,竹木结构以其材料来源容易,成本低廉等优点从一开始就受到广大种植户的青睐.目前,此类结构的大棚在我国仍然被广泛使用,约占整个大棚在用面积的89.6%以上.（2）温棚覆盖材料早期传统的温棚覆盖材料以蒲席,稻草苫,塑料薄膜为主,在采光,阻燃,保湿,透气性,抗冲击性,防腐,防紫外线等方面存在诸多缺陷.随着新技术新材料的研制开发,多功能塑料薄膜,厚型无纺布,浮发玻璃,聚碳酸脂板,物理发泡片
3、材,纳米涂料的铝箔等复合材料不断地推向市场,在现代高档温棚上被逐步使用。（3）温棚配套设施早期温棚内配套设施少。温棚配套设施简单.随着科技的发展,农业产业化进程的推进,各种现代化的电动/智能型保温,喷淋,喷雾,风机和滴灌设备被装备到温棚内,使得温棚成为一个智能化的温室工程系统,可实现温,湿,光,水,肥,气的自动控制.在这方面,目前荷兰,日本,新加坡等发达国家做得比较好,我国还处在引进和消化吸收阶段.由以上不难看出,目前我国的温室大棚无论从其主体结构大棚骨架上看,还是从其覆盖材料或配套设施上来看,大都还停留在传统的低档水平上.由新技术,新材料,新设施等高科技装备起来的高档温棚还处在起步阶段,只能
4、在一些农业高科技示范园区中才能看到.我国温室大棚的未来发展温室大棚不仅关系到与老百姓生活息息相关的菜篮子工程,更关系到我国农业产业化经营和农业现代化的发展.传统的,落后的,分散的,低效的温室大棚生产经营不仅浪费人力,物力和土地资源,而且无法与国际接轨,参与国际市场竞争.作为一个设施园艺面积居世界之首的农业大国,必须加快步伐,努力改变温室大棚设施低档化的现状,不断研制开发温室大棚生产的新技术新产品,学习,借鉴和吸收国外的先进生产和经营模式,并结合我国的地理位置和环境特点,在各地区因地制宜地发展大型化,集约化,规模化,产业化,配套设施齐全的连栋温室大棚.温棚骨架结构材料由强度低,易腐蚀向强度高,重
5、量小,耐腐蚀,使用寿命长的新材料发展;温棚骨架的结构形式由分散的单拱向多拱拼装式,大型连栋式方向发展;温棚覆盖材料由透气性,保温保湿性差向透气性好,保温保湿性能优越的多功能复合型材料发展;.因此,我国的温室大棚的生产经营必然朝着产业化,规模化,现代化的方向发展.1.3 国内外研究现状在太原地区，温室大棚的墙体一般都采用砖石结构，砖石结构在我国源远流长以有两千年的历史。由于它有可就地取材、造价低、耐酸耐碱、热惰性好等特点，因此，在我国墙体材料中仍占有很大比例2。但建造温室大棚的墙体要考虑其室内的保温效果，同时还要考虑其承受外部（风载、雪载等）荷载作用下的强度和刚度分析。从力学上的定义，强度是指材
6、料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。一般只针对材料而言的。它的大小与材料本身的性质和受力形式有关。如某种材料的抗拉强度、抗剪强度是指这种材料在单位面积上能承受的最大的拉力、剪力，与材料的形状无关。刚度是指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关3。就目前而言，对复合相变材料与建筑用材料结合制成温室用墙体，以降低温室能耗和改善温室热环境4。在墙体和顶棚的强度和刚度分析方面，国内外的前辈们还是做了大量的相关研究。如辽宁省建筑科学研究所的楼永林先生在试验与分析的基础上，提出了一种通
7、过用简单工具进行现场抗剪强度实测，对原有墙体强度指标进行评定的方法5。在强度计算方面，后勤工程学院的刘兴远、方顺兴、韩富前先生讨论了两种砖砌体抗剪强度的计算公式，并在分析砖砌体抗剪破坏机理及墙体破坏裂缝图的基础上，提出了一种新的抗剪强度公式6,并在工程中得到了广泛的应用。江苏理工大学的施康在做客车车体结构的力学的特性时，他是对模型这样做简化的：（1）略去了非承载物体； （2）把顶棚的横梁、前围的横梁等杆件，划分为若干个直梁单元，近似代替原曲梁；对于两个靠的很近的很近但但并不重要的交叉连接点简化为一个节点处理；（3）对于一些结构上的孔、台肩、凹部、翻边尽量酌情予以圆整光滑，以简化构件截面形状7。
8、这种结构简化对于温室大棚的顶棚和墙体的简化具有一定的指导意义。 在墙体保温方面，北京建筑工程学院的钱陪风先生做试验表明外墙用抗震保温砌快适用于全国各地。墙厚比砖墙薄，造价低于其他保温措施8。利用边界元法计算一些问题的数值解较之有限元法、差分法等一些区域解法有如下一些优点:降低了维数、节省了内存、提高了计算效益，特别是有限元法与差分法对处理带孔的无限板和半平面问题比较困难，而边界元法对这类问题的处理不存在实质性的困难带角点薄板的弯曲间题的计算在断裂力学的计算中是一个重要的研究课题，用有限元法进行数值计算时对角点的处理有两类方法9:(1)在角点处加密剖分1011(2)对角点处的解进行定性分析得出角
9、点处的奇异主项，用奇异主项作为插值基函数来体现角点处的奇异性，而不需要加密剖分来提高解的计算精度1213。用边界元法解这类问题时，大部分是用角点处加密剖分的方法，而用奇异主项作为插值基函数的方法进行计算的还很少，只有文献14对Laplace方程利用这一方法计算了应力强度因子，对重调和方程利用这一方法计算的尚未见过。1.4 研究或解决的问题和使用的方法建立温室大棚的实体模型，利用ANSYA有限元软件对大棚温室结构的力学性能进行分析，如顶棚在外载（风载、雪载等）作用下的强度与刚度分析，保温墙的强度分析。在研究过程中，我将采用以下的方法和手段：(1) 了解强度和刚度的基本理论和计算方法。(2) 对墙
10、体和顶棚进行荷载分析。(3) 利用ANSYSA有限元软件建立实体模型并进行强度和刚度分析。2 有限元法和强度理论概述有限单元法是在当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的数值方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。有限元的方法模式和形态，除经典的基于最小势能原理的位移有限元模式（位移法）外，还发展了基于余能原理的应力平衡模式（应力法）；基于广义势能原理的杂交模式（应力杂交法）；基于H-W混合变分原理的混合有限元模式（混合法）等。2.1 有限元法概况从应用数学角度来看，有限元方法的发展始于194
11、3年Courant的工作。他首先尝试将一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小势能原理相结合来求解St.Venant扭转问题。此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同角度对有限元法的离散理论、方法及应用进行了研究。有限元的实际应用是随着电子计算机的出现而开始的。1946年第一台计算机在美国投入运行，人们发现结构力学的矩阵表达方法特别适用计算机编写程序，从而可解决复杂结构的计算问题。1956年，波音公司Turner等人将求解杆件结构的方法推广到求解连续体力学问题，将连续的弹性平面区域离散为有限个几何形状简单的三角形或四边形单元，这些单元仅在节点连接，并在数学上采用了矩阵表达式，这是有限
12、元方法求解复杂弹性力学问题的新阶段。1960年，美国加州大学伯克利分校的Clough进一步求解了平面弹性问题，第一次提出“有限单元法”的名称，从此有限元方法以其优越性迅速占领了弹性静力学领域，将弹性结构静力学的理论研究和应用水平推向新的高度。20世纪70年代以来，有限单元法进一步得到蓬勃发展，其应用范围扩展到所有工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的分支。借助有限元可以设计出更好的产品。在传统结构设计中人们常采用较大的安全系数来确保使用的安全，但往往导致产品笨重，浪费材料；现代工程设计中，为减少成本、减轻结构重量、节约资源，要求安全系数最接近实际要求，利用有限元方法精确计算可以保证用最少
13、的材料发挥最大的功能。一个完整的有限元程序包含前处理、求解程序、后处理，有限元的求解过程是指将整体结构或其中一部分离散为理想的数学模型，用离散的网格代替连续实体结构，分析计算结构的受力、变形及其它特性，最后将计算结构进行整理归纳。有限元软件和有限元方法同时诞生，并且随着有限元方法和计算机技术的发展而迅速发展。自20世纪70年代后期，我国引入通用有限元著名软件数十种，如：ANSYS、IDEAS、SAP、NASTRAN、ADINA、ALGOR等。有限元在学科应用领域从最初的固体力学扩展到：热传导、电磁学、流体力学、声、振动等；在工程领域从最初的航空工程扩展到：机械、汽车、造船、建筑等。近年来，随着
14、计算机和计算技术的迅猛发展，有限元法几乎在所有工程问题上都得到发展和应用，已成为一个基础稳固并为大家所接受的工程分析工具。2.2 有限元基本思想有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘学科，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其物理实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为有限自由度问题；其数学实质是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数的代数方程组的求解问题。有限元方法可以求解许多过去用解析方法无法求解的问题，对于边界条件和结构形状都不规则的复杂问题，有限元方法是行之有效的现代分析方法。有限元法是一种离散化的数值方
15、法，将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域（单元），并通过它们边界上的节点相互联结成为组合体。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面（内部边界）上以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来得到整个结构的方程组，求解该方程组，从而得到问题的近似解。离散化是有限元方法的基础，必须以结构的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是将结构分割成足够小的单元，使得简单位移模型能足够近似的表示精确解，同时不能太小，否则计算量太大。选取的插值函数通常是多项式，最简单的是位移的线性函数。这些函数应当满足平衡方程
16、，它通常是通过变分原理得到的。例如，力学中的变分原理之一就是最小势能原理，势能指的是弹性体由于变形存储起来的内能和外载荷施加的能量之和，如果物体处于平衡状态，则势能将处于极小值。对势能求导数，并令该导数为零，就可以得到平衡方程。在数学上其理论基础是变分法，应用到结构上就是能量原理。根据所用方法的不同，得到的方程组中所含未知数的性质分为3种情况：（1）当以最小势能原理为基础的位移法求解时，未知量为位移；（2）当以最小余能原理为基础的应力法求解时，未知量为应力；（3）以这两种方法混合求解时，则未知量为位移和应力的组合。2.3 有限元分析步骤有限元法求解各种问题一般遵循以下分析步骤：（1）结构离散化
17、有限元法把弹性连续体分割成数目有限的单元，相邻单元之间仅在节点处相连，节点一般都在单元边界上，节点的位移分量作为基本未知量，组成了有限单元集合体并引进等效节点力及节点约束条件，就成为有限自由度的有限计算模型，代替了原来无限多自由度的连续体。有限元法的实质是把无限多个自由度的弹性连续体，理想化为有限个自由度的单元集合体，使问题简化，适合数值求解。对于每个具体问题，离散化的具体内容是选择适当的单元类型、决定单元尺寸和数量、单元的布局以及节点的连接方式。单元尺寸足够小才能保证计算精度，单元尺寸足够大才能减少计算过程的工作量。理论上讲，单元划分得越细，节点布置越多，计算结果越精确。计算机发展至今，其容
18、量和运算速度已经不是主要矛盾，但是分析比较证明节点和单元的数量达到一定值后，再加密网格对于提高计算精度效果就不显著了。划分单元的一般原则是：关键部位尽可能使用小单元和高精度单元，应力和位移变化平缓的部位可以采用大单元和低精度单元；在边界曲折、应力集中、应力梯度大的地方，如集中载荷处、分布载荷突变的地方，单元应当划分的细一些；任何单元的节点也应当是相邻单元的节点；材料变化的地方应当划分新的单元。（2）单元力学特性分析单元力学特性的分析目的是求得单元刚度矩阵Ke，Ke反映了单元上力和位移之间的关系。a.选择位移模式这是单元特性分析的第一步。首先假设一个简单的函数（通常是多项式）来模拟单元内位移的分
19、布规律，这个简单的函数称为位移模式或位移函数。选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元求解的精确程度。位移函数的选择一般遵循以下原则（有限元解的收敛原则）：在单元内位移函数必须是连续的，而在相邻单元公共边界上的位移必须协调；位移函数必须能反映单元的刚体位移；位移函数必须能反映单元的常量应变。有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构离散化之后，单元其它物理量，如应力和应变等，由节点位移来表示。这时可
20、以对单元中位移的分布采用逼近原函数的近似函数予以描述。通常有限元法将位移表示为坐标变量的简单函数。单元内任一点的位移均可以用节点位移来表示：f=N (2-1)其中，为单元的节点位移，N为形函数矩阵。b.分析单元的力学性质在选择单元类型和相应的位移模式之后，即可按几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式，然后利用虚功原理或变分法或其它方法建立各单元的刚度矩阵。单元分析的另一内容是将作用在单元上的非节点载荷移置到节点上，形成等效节点载荷矩阵，因为有限元法假设载荷是作用在节点上，并由节点传递的。单元的力学特性分析目的是求得单元刚度矩阵。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找
21、出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。力和位移的关系式为F=K (2-2)其中，F为单元的节点力，K为单元刚度矩阵。（3）计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元的，但是对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递的，因而这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效到节点上，也就是用等效的节点来代替所有作用在单元上的力。（4）集合单元方程得到总的平衡方程组利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程K=R (2
22、-3)式中，K是整体结构的刚度矩阵，是节点位移列阵，R是载荷列阵。（5）求解未知节点位移对式（2-3）进行边界约束处理，得修改后的有限元方程，解此有限元方程得出节点位移。（6）单元应变和应力根据计算得到的整体结构上的节点位移，可以知道每个单元的节点位移，将单元节点位移代入单元应力和单元位移的关系式就可以得到单元上的应力。复合材料的各向异性产生各种复杂的力学现象，对于简单的结构（如板、壳）可以得到弹性力学的一般解，而对于大多数复杂结构来说，必须采用数值计算方法，三维有限元分析是最常用的方法。有限元计算技术对于求解复合材料及其结构的力学问题已有相当广泛的研究,在这一领域可分为两个分支：一是有限元法
23、应用于复合材料结构（如板、壳等）力学问题；二是有限元技术应用于复合材料细观力学行为的模拟分析。前者追求真实工程环境下结构问题的解决，后者侧重于材料细观结构与力学性能的关系分析。有限元方法在复合材料力学问题中的应用是在80年代末，随着计算材料科学或称计算机辅助材料设计兴起而真正得到迅猛发展。2.4 有限元模型用ANSYS的前处理模块建立结构有限元模型有两种方法：实体建模法和直接生成法。使用实体建模，首先生成能描述模型几何形状的几何模型，然后指示ANSYS软件按照指定的单元大小和形状对几何体进行网格划分生成节点和单元。对于直接生成法，需要手工定义每个节点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。
24、实体建模和直接生成方法都有各自的缺点，具体采用哪种方法需要在具体工作中根据具体情况进行选择。表2-1列出了实体建模和直接生成法的优缺点。实体建模一般比直接生成法更加有效和通用，是一般建模的首选方法，本文采用实体建模的方法。表2-1 模型生成方法的优缺点比较建模的方法优点缺点实体建模法a.适用于复杂的模型，特别是三维实体模型；b.需要处理的数据相对少一些；c.可以使用Ansys建模工具建模；d.便于几何上的改进；e.便于改变单元类型a.需要大量的计算时间；b.对简单的模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据；c.在某些条件下Ansys可能不能生成有限元网格。直接生成法a.对于小型模型的生成比较方
25、便；b.使用户对几何形状及每个节点和单元的编号有完全的控制a.比较耗时；b.改变网格和模型十分困难；c.易出错。2.5 强度理论概述各种材料因强度不足引起的失效现象是不同的，塑性材料，如普通碳钢，以发生屈服现象，出现塑性变形为失效标志。脆性材料，如铸铁，失效现象则是突然断裂。在单向受力情况下，出现塑性变形时的屈服极限S和发生断裂时的强度极限b,可由实验测定. s 和 b 可统称为失效应力.以安全系数除失效应力,便得到许用应力,便得到许用应力 , 于是建立强度条件可见,在单向应力状态下,失效状态或强度条件都是以实验为基础的. 实际构件危险点的应力状态往往不是单向的.实现复杂应力状态下的实验,要比
26、单向拉伸或压缩困难的多.常用方法是把材料加工成薄壁圆筒,在内压P作用下,筒壁为二向应力状态.如再配以轴向拉力F,可使两个主应力之比等于各种预定的数值.这种薄壁筒实验除作用内压和轴力外,有时还在两端作用扭矩,这样还可以得到更普遍的情况.此外,也还有一些实现复杂应力状态的其他实验方法.尽管如此,完全复现实际中遇到的各种复杂应力状态,并不容易.况且,复杂应力状态中应力组合的方式和比值,又有各种可能.如果像单向拉伸一样,靠实验来确定失效状态,建立强度条件,则必须对各式各样的应力状态一一进行实验,确定实效应力,然后建立强度条件.衡量受力和变形程度的量又有应力,应变和应变能密度等.人们在长期的生产活动中,
27、综合分析材料的失效现象和资料,对强度失效提出各种假说.这类假说认为,材料之所以按某种方式失效,是应力,应变或应变能密度等因素中某一因素引起的.按照这类假说,无论是简单还是复杂的营利状态,引起失效的因素是相同的.亦即,造成失效的原因与应力状态无关,这类假说称为强度理论.下面就介绍四种常用的强度理论.最大拉应力理论(第一强度理论) 这一理论认为最大拉应力是引起断裂的主要因素.即认为无论是什么应力状态,只要最大拉应力达到与材料性质有关的某一极限值,则材料就发生断裂.既然最大拉应力的极限值与应力状态无关,于是就可用单向应力状态确定这一极限值.单向拉伸只有1（2 =3=0）,而当1 达到强度极限b 时,
28、发生断裂.这样,根据这一理论,无论是什么应力状态,只要最大拉应力1 达到 b 时就导致断裂.于是得断裂准则1 = b ( 2-4)将极限应力b 除以安全因数得许用应力 ,所以按第一强度理论建立的强度条件是 1 (2-5)这一理论没有考虑其他两个应力的影响,且对没有拉应力的状态(如单向压缩,三向压缩等)也无法应用.最大伸长线理论(第二强度理论) 这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素.既认为无论什么应力状态。只要最大伸长线应变1 达到与材料性质有关的某一极限值，材料既发生断裂。1的极限值既然与应力状态无关，就可以由单向拉伸拉确定。设单向拉伸直到断裂仍可用胡克定律计算应变，则拉段时伸长线的
29、应变值应为u =b E。按照这一理论，任意应力状态下，只要1达到极限值bE,材料就发生断裂。估得断裂准则为： （2-6）由广义胡克定律： (2-7)代入（2-6）式得断裂准则： (2-8)将b除以安全因数得许用应力，于是按第二强度理论建立得强度条件是： (2-9)最大切应力理论（第三强度理论） 这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素。即认为无论什么应力状态，只要最大切应力达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生屈服。单向拉伸下，当与轴线成45度的斜截面上的时（这时，横截面上的正应力为s ）,出现屈服。可见，s2就是导致屈服的最大切应力的极限值。因为这一极限值与应力状态无关，任意应力状态下
30、，只要达到s2,就引起材料的屈服，任意应力状态下，于是得屈服准则： (2-10)或 13 = s (2-11)将s换换为许用应力，得到按第三强度理论建立的强度条件 13 (2-12)畸变能密度理论（第四强度理论） 这一理论认为畸变能4密度是引起屈服的主要因素。即认为无论什么应力状态，只要畸变能密度达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生屈服。单向拉伸下，屈服应力为s,，相应的畸变能密度由公式 (2-13)求出为 (2-14)这就是导致屈服的畸变能密度的极限值。任意应力状态下，只要畸变能密度达到上述极限值，便引起材料的屈服。故畸变能密度屈服准则为： (2-15)在任意应力状态下，由公式（2-1
31、3），代入（2-15）式，整理后得到屈服准则为 (2-16)上式屈服准则为一椭圆行曲线。把s除以安全因数许用应力，于是，按第四强度理论得到的强度条件是： (2-17)综合公式（2-5），（2-9），（2-12），（2-17），可把四个强度理论的强度条件写成以下的统一的形式： r (2-18)式中r称为相应应力。它由三个主应力按一定形式组合而成。按照从第一强度理论到第四强度理论的顺序，相应的应力分别为： r1 =1 ( 2-19) r2 =1-(2 + 3) (2-20) r3 =13 (2-21) (2-22)2.6 本章小结有限元方法和软件为分析复合材料结构提供了理论和软件支持。本章第一部分
32、介绍了有限元法的发展概况、基本思想以及分析步骤；第二部分介绍了常用的几种强度理论，为下章软件分析做好了理论基础。3 顶棚和墙体受载时的力学分析3.1 概述：ANSYS软件中结构受载分析模块用来分析由于稳态外载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。受载分析是结构分析中最基本的一种分析类型，在ANSYS中基本分析步骤包括指定分析类型、建立有限元模型，根据分析对象的工作和安装条件施加有限元模型的边界条件，并对结构进行分析求解，然后对结果进行后处理等。本文顶棚和墙体结构的受载分析主要研究结构在受均布载荷作用下的应力、位移等分布规律，并且对结构产生的影响。3.2 顶棚受载时的力学分析： 目前，我们生
33、活中所应用的温室大棚，大多数都采用的是PC板材，又称聚碳酸酯板材，是一种新型的高强度、隔热、透光，轻便建筑材料，被广泛应用于灯箱制作、车篷采光、公路护拦、防爆盾牌、采光天幕、工业厂房、温室大棚、观察窗、声屏障、展览采光等。 本文中将建立波纹状结构和拱形结构，将比较两者在相同的荷载下其结构所发生的力学变化。我们所采用的都是PC板材，建立的模型都是长为5.990m,宽为0.85m,厚度为1.8mm,材料的弹性模量为15Gpa,泊松比为0.33,截面的形状如图2-1所示,考虑受到的雪载及风载等载荷因素, 覆盖层的受压力为333.4N/m2 如果不加其他支承仅在板四边固定,板的变形过大,因此在板的中间
34、横向加了支承,其中支承的间距最长为1.527m,因此选取间距最长的支承段进行计算,如果这段的强度和刚度能满足，,则整个结构的强度和刚度就满足要求。 图3-1 波纹板软件图形 图3-2 拱形板软件图形建立选取段的力学模型图2所示，考虑到板安装时采用螺栓固定，因此将板的长边简化为简支（只约束x、y、z三个方向的位移，不约束转动）。切开的截面约束也采用了简支的约束形式，这样简化实际上是减弱了这个边的约束，因为舍去的板的两边会对其产生转动约束，在计算中不考虑转动约束，变形的计算结果应该更大点。1.527m图3 -3 顶棚的力学模型 采用ANSYS软件进行计算，本文将采用Shell Elastic 4n
35、ode进行网格划分,下图为波纹板和拱行板的网格划分图: 图3-4 波纹板的网格划分图 图3-5 拱形板的网格划分图考虑到顶棚主要受雪载和风载荷的影响,覆盖层的受压力为333.4N/,将其加载在波纹板和拱形板上,其应力,应变云图如下: 图3-6 波纹板的等效应力图 图3-7 拱形板的等效应力图图3-8 波纹板的变形云图 图3-9 拱形板的变形云图 在力学分析时,我们所构建的波纹板和拱行板都是采用PC板材,其选取段的力学模型都一样.考虑到其受到雪载和风栽的影响,对其覆盖层所施加的均布压力都为333.4N/. 从应力方面来看,波纹板的最小应力为31741N/,而拱形板的最小应力为86651N/,波纹
36、板的最大应力为-609E+07,而拱形板的最大应力为548502N/.由此可见,在相同荷载下,拱形板的应力变化比波纹板剧烈.所以波纹板比拱形板抵抗破坏的能力强.从应变方面来看,波纹板的最大应变为-0.002254,而拱形板的最大应变为0.965E-04,由此可见,在相同荷载下,拱形板发生的变形比波纹板的大,所以波纹板比拱形板抵抗变形的能力强.综上所述,不论从抵抗破坏还是抵抗变形的能力方面来考虑,波纹板都比拱形板具有无可比拟的优越性,从经济方面来讲,波纹板比拱形板节省材料,所以波纹板更经济.所以有实验分析结果,我建议以后温室大棚的顶棚结构将采用波纹板,这样更安全更经济。3.3 温室墙体受载时的力
37、学分析.温室的保温墙采用夹层结构设计,为了计算方便在建立力学模型时,不考虑保温墙内的填充物,但重量仍然考虑,这样考虑计算简单,并且计算结果偏于安全,因为填充物本身也有一定的承载能力. 由于墙体所受荷载为均布载荷，因此建模时取单位长度的墙体进行受载分析，我们研究的对象为太原地区普遍采用的砖砌水泥实体墙体。其建模数据为：长为1m,宽为0.115m,高为2.071m,泊松比为0.15,弹性模量为E=20GPa,密度为=2500Kg/m.软件建立的墙体结构如下图所示:图3-10 软件建立的墙体结构墙体所受载荷主要是风载和墙体压力,在太原地区,最大风力为八级,风载在八级时为206N/,等面压力只要是考虑
38、自重, 将整个墙的自重加载等面上，而其他载荷可以不计,如雪载., 因为这些载荷主要由桁架承担，对墙的压力很小可以忽略不计.墙体受力如下图四所示:图3-11 水泥墙体的受力图对其进行网格划分和施加载荷，我们在进行ANSYS分析时只对其下端面进行约束，这样计算的结果将与实际符合。下图为墙体的网格划分图形和在受载时的应力应变云图。图3-12 墙体网格划分图图3-13 墙体在受载荷时的应变云图 图3-14 墙体在受载荷时的应力云图图13为水泥墙体在受载时的应变云图，由图可看出在载荷作用下墙顶端的变形最大，最大位移为0.183E-07米，该变形相对于墙的结构尺寸来讲很小，按照刚度设计要求，完全可以满足设
39、计要求。图14为墙体的等效应力云图，由图可看出在载荷作用下墙的最大应力在底部固定端处，最大应力为12401Pa，材料的弯曲强度极限为310 Mpa , 完全可以满足强度设计要求。3.4 本章小结本章利用ANSYS软件建立了波纹板和拱形板的有限元模型,并且通过受载分析可知,相同属性的波纹板比拱形板更能抵抗破坏性和变形.并且现用的水泥砌砖墙体满足强度和刚度要求.4 结论 建立温室大棚的实体模型，利用ANSYA有限元软件对大棚温室结构的力学性能进行分析，如顶棚在外载（风载、雪载等）作用下的强度与刚度分析，墙体的强度分析。在研究过程中，我们将了解了强度和刚度的基本理论和计算方法,并且熟练的用ANSYS
40、A有限元软件建立了实体模型并且在受载时进行了强度和刚度分析. 由第三章实验分析我们可以得到以下几个结论.(1) 在板的四边x、y、z方向都给约束的情况下,板的应力最大变化发生在板的固定段周围.(2) 在板的四边x、y、z方向都给约束的情况下,板的应变最大变化发生在板的几何中心周围.(3) 通过比较我们可以得出,相同条件下,波纹板比拱形板更能抵抗破坏和抵抗变形.(4) 现有的水泥墙体设计完全满足太原这一地区的抗载设计要求. 参 考 文 献1安徽农机2003年第一期浅谈我国温室大棚的现状与发展2 徐炳华，大力发展砌块建筑是墙体改革的有效途径 ，1990.23 刘鸿文，材料力学第4版，2003.34
41、 张立明，温室墙体复合相变材料的制备与蓄热机理研究，2008.55 楼永林，原有墙体强度指标的评定及其试验研究，1987.126 刘兴远 、方顺兴等，砖砌体墙体抗剪强度计算公式研究，1993.27 施康，江苏理工大学，蒙皮对客车车身底架和顶棚结构的强度和刚度的影响，2006.68 钱培风, 北京建筑工程学院, 抗震防裂与抗震保温砌块建筑的强度与效益.9 钱祖平, 带裂纹薄板弯曲问题的边界元法分析,1993.610 Snyder M D, Cruse T A. Boundary-integral Equation Analysis of Cracked Anisotropic Plates .i
42、nt. Journ. Of Fracture,1975.1111George E. Blandford. Two-Dimensional Stress Intensity Factor Computations using the Boundary Element Method. Int. J. for Num methods in Engineering,1981.1712 斯特朗G，费克斯GJ.有限元法分析.北京:科学出版社，198113Fix G J. On the Use of Singular Functions With Finite Element Approxima-tions
43、 J. of Comp. Physics. 1973.1314Xanthis L S. The treatment of singularities in the Calculation of Stress Intensity Factors using the Boundary Integral Equation Method. Comp. methods in applied mech. And engineering, 1981.2615王庆五，ANSYS10.0高级机械设计应用软件，第二版，2006。16汪海芳，复合材料的支架结构的力学性能分析，工学硕师学位论文。致 谢本文是在导师关学锋的亲切关怀和精心指导下完成的。导师渊博的学识、严谨的治学态度、高深的学术水平和实事求是的工作作风，对我的工作、学习和生活都带来了极其深刻的影响，这将使我终生受益。导师对待学生和蔼可亲、认真负责，对待学术问题精益求精，这一点我感受颇深。值此毕业之际，对导师半年来的悉心教导表示衷心的感谢。同时感谢*在我完成课题过程中给予的关心和帮助。一路走来，正是有他（她）们的热心帮助才使我得以克服诸多困难，不仅获得了学术上的进步，更收获了珍贵的友谊！非常感谢我的家人和朋友在我求学生涯中所给予的理解和支持，是他（她）们的大力支持给了我信心和力量，使我能够顺利完成学业。感谢母校中北大学四年来对我的精心培养。
