参数化大棚模型结构稳定性检测系统研究

（福建农林大学机电工程学院，福建 福州350002）

目前，农用大棚在结构上具有很强的区域性及相似性，在同一区域内，大棚结构系列化程度较高。国内外许多学者[1-5]已经开始对大棚结构进行研究。对大棚的结构稳定性的研究有多种方法，如应用材料力学原理、通过有限元算法或有限元软件进行计算与分析等。然而，由于没有同时将大棚参数化的有限元模型结构稳定性检测过程与通用的编程语言结合起来，使得各类分析法并不适用于大棚产品质量检验与鉴定或生产与安装工作人员对大棚产品的质量检测或验收。为此，本研究以整体的连栋型大棚参数化模型为基础，运用有限元分析软件ANSYS参数化设计语言与Visual Basic 6.0结合，开发了一种适用性较强的人机交互式大棚结构稳定性参数化仿真检测系统。

1 大棚有限元模型参数化

参数化通常指的是参数化造型，是一种重要的几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法[6]。本研究以福建省农业机械鉴定推广总站推广的SPG型和SPJ型大棚为研究对象，各系列大棚包括跨度8m和6m，又根据其使用的管材不同，分为Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ级，是具有相同结构，而材料参数不同的系列化大棚，适合运用参数化方法建模与分析。

考虑到大棚结构主要以钢管焊接结构为主，系列化程度高，可对大棚中不影响稳定性的附属结构进行简化，将大棚的跨度、高度、管材材料截面、材料物理属性和荷载等作为参数，并结合APDL命令流，以建立与调用ANSYS宏文件的方式，得到参数化的大棚有限元模型如图1所示。

模拟大棚的管材采用Beam188单元，薄膜采用Shell63单元，各单元均采用自适应方式进行网格划分。荷载方面，根据标准[8-9]中所提供的数据对其进行标准值的计算，而后施加到大棚模型上。故荷载标准值各个分量，也可以实现参数化。以SPG-8Ⅲ型大棚模型受雪荷载情况为例，结构参数取值如表1所示，该型大棚跨度8m，高度3.5m，弹性模量2×1011，泊松比0.3，薄膜厚度0.0002m。

图1 参数化的大棚有限元模型

2 检测系统的开发

以Visual Basic6.0软件为开发平台，开发基于Visual Basic与APDL命令结合的人机交互式农用大棚模型结构稳定性检测系统。该系统的技术路线如图2所示。

表1 SPG-8Ⅲ级大棚材料参数

2.1 系统界面

系统主要包括用户登录界面、参数设置界面、载荷设置与求解界面以及结果显示界面。用户在登录后进入参数设置界面，如图3所示，可选择要分析的大棚类型、跨度及型号，再对该种大棚结构的管材截面尺寸进行设置。然后，进入荷载设置界面，如图4所示，设置所要分析的受载情况，调用ANSYS软件进行计算。最后，可进入结果显示界面，查看计算分析后的结果。

图2 检测系统的技术路线

图3 参数设置界面

图4 荷载设置与求解界面

2.2 参数处理及调用

APDL命令中关于设置参数的代码，通过Microsoft Access 7.0软件建立ANSYS认可的APDL代码参数表，再通过VB代码对表中的数据进行实时的更新。即在参数设置界面下对各参数对应的text控件的 “click”事件[10]利用以下语句实现参数表中的参数值实时更新。

SQL＝"UPDATe＃＃SET value＝＇" ＆load.Text ＆"＇WHERE prmt＝＇load.＇"

在参数设置完成后，将参数表以文本的形式与APDL命令代码中的其余代码重新编辑成一个新的APDL代码文件，供VB程序通过代码直接调用ANSYS程序进行后台运行计算。调用ANSYS的关键代码如下：

其中，“dy”只是一个用来存放shell函数返回值的变量。

2.3 后处理结果

ANSYS软件可以提供多种的后处理方式，可利用APDL命令得到各种方式的结果。在VB调用ANSYS程序后台运行完毕后，可以应用VB进行后处理。如对APDL命令生成位移分布云图，在VB程序中在新建窗口中以加载方式显示图片，以各大系列Ⅲ级型大棚结果为例，结果显示界面如图5、图6所示。

图5 Ⅲ级大棚受雪荷载结果显示界面

图6 Ⅲ级大棚受风荷载结果显示界面

3 仿真结果分析

通过上述方法，可以得到大棚在受荷载后每个单元所发生的位移量，将得到的最大位移量值与允许位移量值比较，从而分析该大棚结构是否失稳，即不失稳条件是：

式中，δmax为大棚结构受荷载后得到的最大位移量值；[δ]为大棚结构允许位移量值，为大棚跨度的1／200[11]，即：[δ]SPG8＝ [δ]SPJ8＝8／200＝0.04m；[δ]SPG6＝ [δ]SPJ6＝6／200＝0.03m。

也就是说，跨度为8m的大棚，其允许位移量值为0.04m，而跨度为6m的大棚，其允许位移量值为0.03m，每个大棚的位移量值若超过相应的允许位移量值，则将发生失稳现象，甚至倒塌、损坏。表2为各系列大棚在受载后的仿真检测结果。

表2 仿真检测结果 m

设最大位移量与允许位移量比值为η，即：

则大棚模型受荷载后情况如表3所示。

表3 各系列大棚受雪荷载η最大值 %

4 结论

（1）由各位移值分布云图可知，所建立的整体连栋型大棚模型与单拱整体大棚模型或连栋型非整体大棚模型受荷载后变形的位移分布情况相仿，均在大棚的中部并逐渐向周围及两端递减；受风荷载后的变形在迎风面的1／4拱与中间拱交接处以及背风面附近最大，大棚中间拱较小。而且，整体连栋型大棚模型受荷载后的最大位移量值大于其他类型的大棚模型。原因在于整体连栋型大棚同时考虑了薄膜受载变形、连栋型受荷载情况与骨架间等因素的相互作用而使得大棚骨架的位移增大。

（2）对于大棚模型受雪荷载情况，上述结果显示，在对各系列大棚模型进行受雪荷载时的稳定性仿真检测分析时，各大棚均未失稳，检测到的结果是Ⅰ级的最为稳定，Ⅱ级次之，Ⅲ级的稳定性较差。原因在于SPG型大棚中，Ⅲ级的大棚骨架管选用的是镀锌板材管，Ⅱ级选用的则是热镀锌管，而Ⅰ级选用的是热镀锌管且管的壁厚有所增大；SPJ型大棚中，Ⅲ级的大棚骨架为镀锌板材管，Ⅱ级的为增加壁厚的镀锌板材管，而Ⅰ级选用与Ⅲ级同样壁厚的热镀锌管。但是，在造价方面也同样的Ⅰ级最大，Ⅲ级的最经济。同时，SPJ型抗雪荷载能力明显高于SPG型，原因在于SPJ型大棚在结构上优于SPG型大棚，在同样的高度下，其拱形弧度较低，又有立柱等辅助支撑，但在造价方面，SPG型较为经济。

（3）对于大棚模型受风荷载情况，上述结果也显示，在对各系列大棚模型进行受风荷载时的稳定性仿真检测分析时，各大棚均未失稳，SPG、SPJ型大棚各级结果与其受雪荷载时相类似，均为Ⅰ级最为稳定，Ⅱ级次之，Ⅲ级较差。同时，SPJ型同样在抗风荷载能力上高于SPG型。

（4）上述结果还说明，SPG型与SPJ型大棚在抗风荷载能力上要比抗雪荷载能力上弱些，在今后的生产与安全防范方面，应采取适当的措施，多加强各大棚的抗风能力。

（5）ANSYS参数化设计语言能够实现整体连栋型大棚建模的参数化驱动，可通过ANSYS经典操作环境得到宏代码，对利用Visual Basic 6.0对其宏代码进行参数数据编辑、更新，从而得到参数化的结构稳定性检测系统。

（6）采用Visual Basic与APDL命令结合，开发的人机互动式大棚稳定性检测系统，并采用参数化建立模型，可修改大棚的结构及荷载参数，对不同结构、受不同荷载的大棚稳定性进行分析检测。该系统操作人性化高、可操作性强，适用于专业与非专业大棚产品检测与鉴定工作人员对大棚产品的结构稳定性进行检验。

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