温室大棚墙体强度与刚度分析

中北大学2009届毕业论文第1页共24页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,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中北大学2009届毕业论文第2页共24页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，提中北大学2009届毕业论文第3页共24页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]。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[10][11](2)对角点处的解进行定性分析得出角点处的奇异主项，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[12][13]。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)对墙体和顶棚进行荷载分析。中北大学2009届毕业论文第4页共24页(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。中北大学2009届毕业论文第5页共24页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1943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中北大学2009届毕业论文第6页共24页归纳。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，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；中北大学2009届毕业论文第7页共24页（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