（机械设计及理论专业论文）锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名两从太两 硇1 年1 月1 7 日 指导教师签名：二暑叼，芝r 加ff 年6 月夕日 3 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs t r u c t u r a ld e s i g na n dt h ef l o w f i e l do ns e r r a t e dm u l t i s p a np l a s t i cg r e e n h o u s e 指导小组成员 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文针对目前我国锯齿形连栋塑料温室的发展现状，以三连栋锯齿形连栋塑 料温室为研究对象，分析了锯齿形连栋塑料温室结构配置及承载受力情况和不同 跨度下自然通风对温室内部环境影响的关系。不同跨度锯齿形温室，其主拱架结 构直接影响承载能力，不同天窗开度大小及高度位置等因素直接影响室内流场和 温度分布，流场特性和温室结构参数相关联，需要对温室的内部流场和结构强度 进行综合分析，开展相关的研究对设计出结构合理、造价低、适合地域条件及作 物生长环境的温室具有非常重要的意义。 为了研究锯齿形连栋塑料温室的承载能力情况，本文对6 5 m 跨度温室结构 进行理论受载分析和有限元分析计算。利用a n s y s 软件的a n s y s 参数化设计 语言开发编程，采用b e a m 4 梁单元建立了三维实体温室模型，从结构受力的角 度出发，应用工程力学的理论，对温室加载了雪组合载荷和风组合载荷这两种不 同工况的最不利组合载荷，分别进行了有限元分析，得到了各自的受力的应力云 图和位移变形云图。分析结果表明，温室在最不利雪组合载荷下温室的最大等效 应力为1 8 5 7 8 6 m p a ，超出1 7 0 m p a 的极限值，最大位移变形绝对值为2 9 4 0 7 m m ； 在最不利风组合载荷下等效应力最大值为1 0 6 5 7 8m p a ，最大位移变形绝对值为 2 3 7 6 1 m m 。 为了研究温室不同结构配置对锯齿形连栋塑料温室内部温度环境的影响，本 文对三种跨度和不同天窗开度的温室内部流场进行数值模拟分析。采用计算流体 动力学方法建立了相应的温室三维c f d 的理论模型，用数值模拟的方法研究分 析了不同跨度和天窗开度条件下自然通风对锯齿形连栋塑料温室内部环境的影 响，获得了温室内部的速度场和温度场的分布情况。结果表明：9 6 m 跨度温室 在天窗开度较小时温室的自然通风降温效果较6 5 m 和8 m 跨度温室要佳。天窗 变小后，温室相应区域的平均温度均较之前下降了o 4 1 2 不等。9 6 m 跨度温 室是本研究优选的对象。 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 为了使优选温度分布较好的温室在冬夏两季最不利组合载荷方面能满足温 室结构强度要求，本文对9 6 m 跨度温室结构进行力学计算分析和优化设计，使 温室在满足温室结构强度、刚度和稳定性的前提下，减少了温室单位面积的平均 用钢材量。优化分析结果表明，温室在雪组合载荷下所受最大等效应力为 1 6 6 6 4 2 m p a ，最大位移为3 5 2 0 5 m m ；温室在风组合载荷下所受最大等效应力值 为1 5 8 7 3 9 m p a ，最大位移变形为4 2 2 6 3 m m ，由此说明，经过优化规整后的温室 的结构尺寸能满足温室结构设计的基本要求；温室结构的单位面积用钢量从优化 前的4 6 2 5 2k g m 2 降到了4 4 0 2 9k g m 2 ，降低了4 8 1 ，优化效果明显，降低了 温室的单位面积的造价成本，达到了温室设计的经济性要求。 本文尝试对锯齿形连栋塑料温室的结构设计和内部温度环境进行了综合考 虑，在三种跨度中对比优选了温度分布较好的9 6 m 跨度温室，对该温室进行了 优化设计，优化后的温室结构合理、造价低，且在炎热夏季自然通风条件下内部 温度分布均匀合理，适合华东地域条件。 关键词：温室结构设计温度数值模拟优化 h 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nd e v e l o p m e n ts t a t u so fc h i n e s es e r r a t e dm u l t i - s p a ng r e e n h o u s e s ，t h e p a p e ra n a l y z e ss t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o na n df o r c e so ft h eg r e e n h o u s e ，a st h er e s e a r c h o b j e c to ft h r e em u l t i s p a ng r e e n h o u s e t h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h ee f f e c tr e l a t i o n s h i p o fn a t u r a lv e n t i l a t i o nu n d e rd i f f e r e n ts p a ni nt h eg r e e n h o u s e t h em a i nf r a m es t r u c t u r e o fd i f f e r e n ts p a ng r e e n h o u s eh a sad i r e c ti m p a c to nc a r r y i n gc a p a c i t y ，a n dt h e d i f f e r e n ts i z ea n dh e i g h to fr o o f o p e n i n gp o s i t i o na n do t h e rf a c t o r sd i r e c t l ya f f e c tt h e i n d o o rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n w en e e dc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s i st h e f l o wf i e l da n ds t r u c t u r e ，a n di th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e s i g nar e a s o n a b l e s t r u c t u r e ，l o wc o s t ，s u i t a b l ef o rl o c a lc o n d i t i o n sa n dc r o pg r o w t ho fg r e e n h o u s e i no r d e rt o s t u d yt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h es e r r a t e dg r e e n h o u s e ，t h ep a p e r c a l c u l a t e s6 5 ms p a ng r e e n h o u s es t r u c t u r eo nt h el o a d i n go ft h et h e o r e t i c a la n dw o r k s o u tw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e p a p e ru s i n ga n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ( a p d l ) t os e tu p3 dm o d e lo ft h eg r e e n h o u s e ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff o r c e s t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c st h e o r y ，l o a d st w od i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s n o wl o a da n dw i n dl o a d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t ，a n dg e t st h e c o u n t e r so ft h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o nr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w t h a tm a x i m u mf o r c ei s1 8 5 7 8 6 m p au n d e rs n o wl o a d ，m o r et h a n1 7 0 m p aa n d 1 0 6 5 7 8 m p au n d e rw i n dl o a d a b s o l u t ev a l u eo fm a x i m u md i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o n i s2 9 4 0 7 r a mu n d e rs n o w1 0 a da n d2 3 7 6 1 n l l nu n d e rw i n dl o a d i no r d e rt os t u d yh o wt h ed i f f e r e n ts p a t i a lc o n f i g u r a t i o no fg r e e n h o u s eg r e e n h o u s et oi m p a c ti n t e r n a lt e m p e r a t u r eo ft h ee n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rs i m u l a t e sa n d a n a l y s i st h ef l o wf i e l du n d e rt h r e ed i f f e r e n ts p a n sa n dd i f f e r e n tr o o fo p e n i n g s t h e p a p e rs e t i n gu pt h e3 dt h e o r e t i c a lm o d e lw i t hc f d ，u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o dt oa n a l y s et h ee f f e c to fi n t e r n a le n v i r o n m e n to fd i f f e r e n ts p a na n dr o o f o p e n i n g su n d e rn a t u r a lv e n t i l a t i o n ，a n do b t a i n st h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ei st h eb e s ti ns m a l ls k y l i g h t o p e n i n gu n d e rn a t u r a lv e n t i l a t i o no f9 6 ms p a ng r e e n h o u s et h a n6 5 ma n d8 m g r e e n h o u s e d u et os m a l l e rs k y l i g h t ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei nt h eg r e e n h o u s ei nt h e c o r r e s p o n d i n gr e g i o nd e s c e n d st h er a n g e0 4 1 2 t h a nb e f o r e t h eg r e e n h o u s e o f9 6 mi sap r e f e r r e do b j e c to ft h i ss t u d y i i i 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h eg r e e n h o u s e u n d e rt h em o s tu n f a v o r a b l ec o m b i n a t i o no fl o a d si nt h ew i n t e ra n ds u m m e r t h e a u t h o rd o e st h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h em e c h a n i c a ld e s i g n c a l c u l a t i o n s t h eo p t i m i z a t i o nm a k e st h eg r e e n h o u s em e e t i n gt h ei n t e n s i t y ，r i g i d i t y a n d s t a b i l i t ya n d t h ea v e r a g ea m o u n to fs t e e lr e d u c e d t h er e s u l t ss h o wt h a t m a x i m u ms t r e s si s1 6 6 6 4 2 m p au n d e rs n o wl o a d ，m o r et h a n1 7 0 m p aa n d 1 5 8 7 3 9 m p au n d e rw i n dl o a d a b s o l u t ev a l u eo fm a x i m u md i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o n i s3 5 2 0 5 i n l nu n d e rs h o wl o a da n d4 2 2 6 3 m mu n d e rw i n dl o a d t h i ss h o w st h a tt h e o p t i m i z e ds t r u c t u r eo fr e g u l a rs i z eo ft h eg r e e n h o u s ea f t e rg r e e n h o u s es t r u c t u r e d e s i g n e dt om e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s a f t e ro p t i m i z a t i o nt h es t e e lq u a n t i t y d e d u c e df r o m4 6 2 5 2k g m zt o4 4 0 2 9 k g m z ，l o w e r e d4 8 1 o p t i m a le f f e c ti s o b v i o u s ，r e d u c i n gt h ec o s tp e ru n i ta r e a o fg r e e n h o u s ec o s tt ot h ee c o n o m yo f g r e e n h o u s ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ep a p e ra t t e m p t st oc o n s i d e rt h es t r u c t u r ed e s i g na n dt h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r e o ft h ee n v i r o n m e n t ，s e l e c t i n gt h e9 6 ms p a ng r e e n h o u s ef r o mt h et h r e es p a n s ， o p t i m i z e dd e s i g no ft h eg r e e n h o u s e a f t e ro p t i m i z a t i o nt h eg r e e n h o u s es t r u c t u r ei s r e a s o n a b l e ，l o wc o s t ，a n di t si n t e r n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nn a t u r a lv e n t i l a t i o ni s r e a s o n a b l ei nt h eh o ts u m m e ri ne a s tr e # o n k e y w o r d s ：g r e e n h o u s e ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，t e m p e r a t u r e ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 1 4 第二章 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 本文研究的主要内容5 本章小结6 锯齿形连栋塑料温室的结构设计分析 2 1 连栋塑料锯齿形温室的结构形式7 2 1 1 锯齿形温室简介7 2 1 2 锯齿形连栋塑料温室结构8 2 1 3 温室的有限元模型9 2 2 锯齿形塑料温室结构设计载荷分析1 0 2 2 1 雪载荷1 1 2 2 2 风载荷1 2 2 2 3 其它载荷一1 4 2 2 4 工况分析1 4 2 3 设计要求1 4 2 4 约束加载1 5 2 5 分析结果1 5 2 6 本章小结1 6 第三章锯齿形连栋塑料温室的c f d 数值模拟1 7 3 1 连栋塑料温室的数学模型及控制方程1 7 3 1 1 模型的简化1 7 3 1 2 控制方程的确定1 7 3 1 3 湍流模型。1 8 3 1 4 辐射模型1 9 3 1 5 计算域的选择与网格划分2 1 3 2 边界条件的处理2 2 v 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 3 3 3 4 3 5 3 6 四章 4 1 4 2 4 3 第五章 5 1 5 2 致谢 控制方程组的求解2 3 模拟模型可行性的实验验证2 4 数值模拟与结果分析。2 6 3 5 1自然通风条件下温室风速分布情况分析2 6 3 5 2自然通风条件下温室温度分布情况分析2 7 3 5 3 不同跨度大小的温室内部环境变化情况对比分析2 9 3 5 4 改变温室的天窗的开度大小的温室温度变化情况3 2 3 5 5 天窗高度位置调整对温室温度分布的影响3 4 本章小结。3 7 锯齿形连栋塑料温室结构强度优化分析。3 8 锯齿形连栋塑料温室承载能力力学计算。3 8 4 1 1 在雪组合载荷下温室的承载能力情况。3 8 4 1 2 在风组合载荷下温室的承载能力情况。4 0 锯齿形连栋塑料温室的总体结构优化分析4 1 4 2 1 锯齿形连栋塑料温室结构优化设计方法4 1 4 2 2 优化问题的数学模型4 1 4 2 3 设计变量4 2 4 2 4目标函数4 2 4 2 5 约束条件。4 3 4 2 6 优化分析4 3 本章小结。4 7 结论与展望4 8 结论4 8 展望4 9 参考文献! ；： 硕士期间发表论文情况5 9 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 温室的通风降温问题一直是设施农业工程研究者面临的难题之一。随着科学 技术的进步，不仅要求温室冬季能保温防寒，而且在炎热的夏季能实现温度控制， 为植物提供最适宜的生长环境。温室夏季降温主要有自然通风和机械通风两种方 式。机械通风耗能高，使用成本高，一般很少使用；而自然通风操作简单、能耗 较少，所以现实中在炎热高温的夏季仍然采用自然通风的方式较多，且自然通风 结合其他降温方法对温室的内部环境能取到有效的控制。 亚热带地区夏季的辐射强、温度高，温室热蓄积严重，还有台风、暴雨，持 续一个月的梅雨季节，冬季气温较低，有较强降雪，能否降低运行成本，提高温 室冬夏两季的利用率、可行性和经济性，实现周年高效生产，尤其是冬夏两季的 利用，成为温室生产的关键问题。锯齿形温室的每跨屋面中，有一面为垂直式屋 面墙，并在这面墙上设有通风窗，因通风窗位置高，因而具有通风换气速度快、 通风面积大和自然通风效果好的优点。锯齿形温室结构设计就是从保证夏季自然 通风效果角度出发的，是本文要研究的主要目的。 而温室结构涉及到温室的采光、通风、保温、载荷、造价等诸多因素，结构 设计是否合理，直接影响到温室的性能和经济性。其结构类型有很强的地域性， 在很大程度上，受到本地区气候条件的制约。世界上几个温室产业比较发达的国 家，温室的结构类型各具特色。他们的温室结构不符合中国国情，我们需要设计 出具有中国自己特色的温室类型。 不同跨度锯齿形温室，其主拱架结构直接影响承载能力，不同天窗开度大小 及高度位置等因素直接影响室内流场和温度分布，流场特性和温室结构参数相关 联，需要对温室的内部流场和结构强度进行综合分析，它对设计出结构合理、造 价低、适合地域条件及作物生长环境的温室具有非常重要的意义。 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 1 2 国内外研究现状 目前，单纯的温室结构优化设计研究相对较少，最近几年国内外对温室的研 究多集中在温室内外部环境的控制上。主要是对温室的内部环境做基于c f d 的 数值模拟。 1 2 1 国外研究现状 荷兰、日本、以色列、美国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，其设 施环境综合调控及农业机械化技术水平等都具有较高的水平，居世界领先地位， 其发展较成熟，普及程度广，但也是经历了一个不断发展的过程。 1 9 8 9 年，o k u s h i m a 等【1 】首次采用计算流体力学( c f d ) 对单跨度斜顶的无作物 1 1 0 比例模型温室通风进行模拟，由于当时的计算机计算能力有限，c f d 模拟 的结果与1 9 8 4 年s a s es 等【2 】的实验结果的吻合性不好：1 9 9 7 年，m i s t r i o t i s 等【3 4 】 对实物大小的两跨和四跨拱圆型屋面温室内环境进行了预测，给出了内部流场和 温度场的分布，模拟结果与试验值吻合较好；1 9 9 9 年，德国和希腊的学者b v o n e l s n e r 和d b r i a s s o u l i s 等人 5 - 6 1 对欧盟国家的温室结构和功能特性情况从温室结 构设计要求和温室类型的设计两方面作了系统的研究；2 0 0 4 年，b a r t z a n a s 等【5 】 研究了隧道温室的通风结构对气流和温度的影响。首先采用k 湍流模型，利用 c f d 先对温室通风率进行模拟，模拟结果与实测数据的差别在1 2 一1 5 ：2 0 0 6 年，o u l dk h a o u a 等【6 】研究人员为了研究风向和温室天窗的开口配置对这类温室 通风的影响，以2 6 0 0 m 2 中间带塑料隔膜的四跨度温度为研究对象，采用了标准 的k 湍流模型，利用c f d 分析不同的风速与天窗配置对温室两部分气流和温 度的影响。 早期以日本学者k o z a i 7 。8 】和英国学者c r i t t e n l 9 d 2 】等对连栋温室结构研究是结 合温室光环境进行的，其目标是通过改进温室结构型式以期获得较优的光环境。 随着连栋温室的不断发展，结构安全问题日益受到重视，针对连栋温室结构承载 能力的研究也逐步受到关注。从2 0 世纪8 0 年代开始，国外的学者们开始把注意 2 江苏大学硕士学位论文 力放到温室结构承载能力的研究上，研究主要集中在风、雪荷载对温室结构的作 用以及针对风、雪荷载的温室结构设计等方面。 m o r a np 【1 3 】进行了温室的足尺寸风压实验研究；o r l i a c f 【1 4 1 进行了风、雪荷 载和连栋温室结构的关系研究，提出了温室的经济优化取决于温室结构造价和结 构的强度之间的关系；v e n t u d - a 1 5 】把减小结构的用钢量作为商业温室的优化目 标，进行了优化研究；k u r a t a k a n dt a c h i b a n a k t l 6 】进行了温室结构优化设计的研 究，把降低温室造价作为优化目标，对连栋温室的荷载和跨度进行了优化； m a t h e w s e h 和m e y e r j p 1 7 - 1 8 】对半圆拱温室的风荷载取值进行了研究和讨论并且 建立了塑料温室的风荷载取值的数值模型；此外还有很多学者对温室结构设计和 温室风、雪荷载的取值作了研究，如c h i p p i n i u 和f a i u a a ；t a h o u r i b 【1 皿2 0 、t o y n 和b o o k e r - j 等f 2 l 】都对温室结构的风、雪荷载进行了比较深入的研究，取得了很 多有益的成果。 在这些研究的基础上，发达国家制定了专门应用于温室结构的行业设计标 准，如美国温室标准、欧洲温室标准、日本园艺设施标准等，这些标准的颁布实 施对促进温室结构设计以及构配件的标准化、系列化起到了积极的推动作用，同 时也为温室产业向外输出提供了保障。 1 2 2 国内研究现状 连栋温室在我国设施农业生产中起到举足轻重的作用，我国的连栋温室的研 究和生产起步较晚，技术含量较低。我国连栋温室发展存在的诸多问题表现在： 首先，我国的温室造价低，但对整体环境的调节能力和控制水平也低；其次，在 技术上，我国温室还具有如下特点：简易、小型为主，单坡屋面为主；能源日趋 紧缺，节能技术和设施跟不上生产的发展，农用材料供应渠道不畅；现有温室许 多是未经科学设计而建造的，不是造成材料大量浪费，就是安全得不到保证。不 管温室是结构存在隐患还是过于保守，最主要的原因就是对温室结构设计理论研 究不足，使得很多温室结构设计者不能对温室结构进行正确和精确的设计所造成 的。可见，我国温室结构设计理论研究的滞后己经成为我国温室发展的制约因素， 3 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 迫切需要针对连栋温室结构特点进行设计理论的研究。其中最关键的是连栋温室 结构的抗风、雪载荷设计理论和结构可靠度设计理论。 随着经济的发展和科技的进步，近年来在学习借鉴、吸收消化国外先进技术 成果的基础上，中国设施农业逐步得到发展，技术水平也有了提高。我国早期的 温室结构研究也多集中在结构与光环境的相关性研究。周长吉【2 2 】把太阳辐射量 作为目标函数，对采光屋面进行了优化研究；此后，中国农业大学的童莉【2 3 1 、 陈忠购阴】、浙江工业大学的陈晓【2 5 1 、江苏大学李本卿削等分别对不同的连栋温 室进行了三维数值模拟分析，讨论了不同湿帘及窗户高度和安装高度等因素对温 室内部速度场与温度场的分布情况的影响。 随着连栋温室的迅速发展，安全问题显得尤为突出。国内学者逐步开始针对 连栋温室结构承载能力进行研究，首先是对连栋温室结构的风、雪荷载取值和分 级等方面的问题的研究。周长吉【2 7 】与齐飞【冽对我国连栋温室结构的风、雪荷载 的取值以及根据我国的气候区域进行连栋温室风、雪荷载分级进行了初步研究； 孙德发【2 9 】等对连栋温室的动态风压进行了研究，提出了我国连栋温室结构设计 中风荷载取值的方法；谢小妍【3 0 】等利用风洞试验对农业建筑结构风荷载的作用 方式一结构风压分布情况进行了研究，和连栋温室有一定的差异。 此后一些学者针对连栋温室结构的在风、雪荷载作用下的受力分析方法进行 了研究，使我国连栋温室结构的受力分析方法得到了改进。1 9 9 7 年，宋占军【3 2 1 的三连拱温室受风雪载荷时的结构计算和1 9 9 8 年五连拱温室的结构计算对计算 模型、计算方法、建筑结构规范中没有说明的附加风载荷、体型系数，高度变化 系数等进行了分析；沈正炳【3 3 】就华北型连栋温室的弹塑性整体稳定做了分析； 梁宗敏，吴德让，李保明【3 4 1 在连栋温室结构优化研究中引入了满应力优化方法， 对连栋温室结构杆件进行了截面优化研究；俞永华，郑金土等【3 5 舶】都在从事连栋 温室结构设计方面的研究，这些都对温室结构设计理论的发展起到了推动的作 用。张兆强、孙德发等【3 7 】从结构优化的角度着手，就结构选型、结构计算及几 何参数的确定，详细介绍了华东型连栋塑料温室的设计。田慧婧与郭t , n t 3 8 1 、 张连永【3 9 删、袁军、孙海艳【4 1 】等从结构优化的角度，对连栋温室结构进行了载 4 江苏大学硕士学位论文 荷分析及内力计算，并采用优化设计理论，对实际应用结构进行了优化分析计算。 同时，结合温室的环境和温室结构的研究也同步进行着，潘强【4 2 】等把优化温室 环境( 最大采光量、最优的光分布、最优温度分布等) 作为结构研究目标，对温 室结构的形状，特别是屋面形状进行了大量的研究。 随着温室行业的不断发展，我国也开始关注到温室的标准化问题，制订了一 些有关温室结构的标准，如：g b t 1 0 2 8 8 2 0 0 1 连栋温室结构、g b t 1 8 6 2 2 2 0 0 2 温室结构设计荷载等，这些温室标准可以在一定程度上提高温室结构设计和 施工的标准化程度，但由于对温室结构特点体现的不足，其中有很多地方有待于 改进。综上所述，目前我国连栋温室结构研究的重点应该是，针对连栋温室结构 特点进行结构抗风、雪载荷的研究和进行结构优化设计理论中有关问题的研究。 归纳前人已有的研究从中可以发现，他们的研究多为建立温室的比例模型， 以尖拱形玻璃温室或圆拱、双圆拱塑料温室为研究对象，对结构优化分析的模拟 还只是作简单的静力分析就作出优化，环境方面的研究主要集中在通风是如何影 响温室内部环境和流场的以及开窗配置或通风结构对气流和温度场的影响等，通 过将模拟结果与试验结果的对比，验证模拟结果的准确性。 他们的研究多集中于两个单一的方向：一是对大型连栋温室的钢架结构作受 力分析，以期获得满足强度要求而又能降低生产成本的温室结构；二是对温室进 行内外部气候环境的研究，获得温室内部气流场和温度场的数值模拟数据，以此 来优化温室内部环境，获得农作物最佳的生长条件。当前我国的温室设计中，设 计参数的确定、设备的选择仍缺乏理论依据，温室的设计一般参照国外温室设计 规范，或通过对比试验在很窄的范围内选择，很少有超出试验范围之外进行系统 的整体优化设计的。对于整个温室系统而言，这些是远远不够的，笔者认为还需 从下节几个方面展开研究。 1 3 本文研究的主要内容 鉴于以上对国内外现状的综述分析，本文拟从以下几个方面来展开研究： 5 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 1 ) 为了研究锯齿形连栋塑料温室的承载能力情况，本文对温室结构进行理 论受载分析和有限元分析计算。确定锯齿形连栋塑料温室的结构类型，利用c a e 软件建立温室实际尺寸的三维模型，通过分析比较，对温室施加雪组合载荷和风 组合载荷这两种不同工况的载荷组合，对温室结构作有限元受力分析，为后面的 结构优化改进方案提供依据。 2 ) 为了研究温室不同结构配置对锯齿形连栋塑料温室内部温度环境的影响， 本文对三种跨度的不同天窗开度和天窗安装高度的温室内部流场进行数值模拟 分析。在c f d 软件中建立参数化结构模型，确定三维模拟网格单元类型和网格 结构及湍流模型、辐射模型，研究温室边界条件的处理方法等，对温室作流场分 析，分析不同跨度和天窗开度对温室内部温度场的影响，从中优选出一种温度场 分布相对合理、适合作物生长的温室。 3 ) 为了使温度分布较好的温室在冬夏两季最不利组合载荷方面能满足温室 结构强度要求，本文对优选温室结构进行力学计算分析和优化设计。在其他条件 相同条件下，对该温室结构进行最不利雪组合载荷和风组合载荷等不同工况的二 次力学计算，并对主要杆件的截面尺寸进行优化，最终获得达到符合温室设计要 求的温室结构。 1 4 本章小结 本章首先就温室发展的现状和问题提出了同时研究锯齿形连栋塑料温室结 构与流场的目的和意义。然后对相关方面的研究分国内外研究现状进行了介绍， 并归纳分析了目前研究存在的不足，从而提出本文的研究内容。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章锯齿形连栋塑料温室的结构设计分析 本章以锯齿形连栋塑料温室为研究对象，探讨温室钢架结构的受载情况，并 分别作受雪组合载荷和受风组合载荷的有限元分析，分别提取温室的主要承重构 件的受力参数，为后面的优化设计分析提供参数依据。 2 1 连栋塑料锯齿形温室的结构形式 连栋塑料温室通用的跨度为6 。1 2m ，开间3 , - 4m ，檐高3 5 m 。以自然通风 为主的连栋塑料温室在侧窗和屋脊窗联合使用时，最大宽度限制在5 0m 以内。 温室的长度主要从操作方便和地势地形方面考虑，最好限制在1 0 0m 以内。大型 连栋温室的主体结构一般都采用热浸镀锌型钢做主体承力结构，要求能达到抵抗 8 级到1 0 级大风的能力，同时还要考虑设备质量大小、作物吊重、维修等多种 因素。屋面用钢管组合桁架或独立钢管件，立柱大多用圆钢管、方钢或矩形钢管。 2 1 1 锯齿形温室简介 锯齿形温室是因温室顶部呈齿形，顶窗垂直于地面而得名，温室特点是跨度 大，通风好( 顶窗开度大，有侧窗，雨天也可开窗) ，降温措施合理( 外遮阴) ， 适用面广( 可用单层薄膜，充气薄膜，p c 板等材料覆盖) ，造价适中，系中高 档温室。锯齿形分为半拱锯齿形和全拱锯齿形，如图2 - 1 所示。温室主要由立 柱、天沟、主拱架、副拱架、天窗等构成，温室屋面及四周均采用塑料薄膜覆盖。 屋顶曲面由两段圆弧组成，短圆弧在竖直天窗一侧，长圆弧在天沟一侧，短圆弧 的长度不超过单个跨度的1 2 ，从而使温室屋面总体呈锯齿形。锯齿形温室采用 垂直立窗，由于该窗设在天沟处，往往造成通风窗高度达不到屋脊高度，这样温 室必须设置两道天沟，在一定程度上减轻了暴雨对温室排水的压力，但屋檐天沟 处的防水必须特别注意，要防止天沟溢流将雨水排进温室。由于通风窗口只能设 在温室的一侧屋面，因此在设计上要考虑将窗户的设置位置与当地夏季的主导风 向相一致，以使温室通风口处形成强烈负压，加强温室的负压通风；同时也要考 7 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 虑当地冬季的主导风向，避免冬季冷风直接吹向温室窗口，减少温室的冷风渗透， 造成温室过多的热量损耗，以减少运行成本。 一不下朱，不$ 小、1 5 0 。处，以= 0 ；坡度角 0 1 时，两跨之间的半跨视为均布 雪载荷，以取1 4 ，其余部分从按单跨拱形屋面的选取方式选取。在本温室中， 厂= ( 5 2 2 7 5 ) ( 4 5 木2 ) - - - 0 2 7 2 0 1 ，以= 1 ( 8y ) = 0 51 ，如图2 4 所示。 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 2 2 2 风载荷 1 41 4 趟艇墨疆口盟啦b 璺蛩工固 = 翌e ：曼艘圈 图2 - 4 屋面积雪分布系数 风载荷是指垂直于建筑物表面上的风载荷标准值，按式( 2 3 ) 计算【4 7 1 ： = 尾玩化 ( 2 3 ) 式中：- 风载荷标准值，k n m 2 ； 尾高度z 处的风振系数，温室是非高层建筑，取值1 0 ； 触风载荷体形系数； 心风压高度变化系数； w 厂一基本风压，k n m 2 。 ( 1 ) 基本风压 基本风压以当地比较空旷平坦地面上，离地1 0 m 高，统计所得的3 0 年一遇 1 0 分钟平均最大风速v o ( m s ) 为标准，按w o = v 0 2 1 6 0 0 确定的风压值。基本风 压应按g b j9 4 8 7 中全国基本风压分布图的规定采用，但不得少于0 2 5k n m 2 。 该温室主要适合华东、华中地区，按风载荷l e o 0 5 5k y m 2 设计，相当于 v o = 2 9 6 6 m s 。 ( 2 ) 风压高度变化系统心 建筑结构载荷规范( 2 0 0 2 ) 镐】中规定要根据地面粗糙类别采用风压高度变化 系数来对风压值进行调整。风压高度变化系数心，应根据地面粗糙度类别确定。 地面相糙度可分a 、b 、c 三类： 1 2 江苏大学硕士学位论文 a 类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； b 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊 区； c 类指有密集建筑群的大城市市区。 取地面粗糙类别为b 类，风压高度系数按式( 2 4 ) 计算 4 7 1 ，但最小值不低于 0 6 2 。 段2 ( 扩3 2 ( 2 - 4 ) 对于屋顶，：= ( 孟) 。3 2 = 百5 2 ) 0 3 2 = o 8 1 1 o 6 2 对于侧墙， ：= ( 孟) 。3 2 = 1 2 矿7 5 ) 。3 2 = o 6 6 2 o 6 2 ( 3 ) 风载荷体型系数以 温室的风载荷体型系数与其体型结构、尺寸、风向有关，根据矢跨比y 由表 2 - 2 进行插值决定m 。本温室的风载荷体型系数如下图2 - 5 所示。 表2 - ：2 拱圆屋面上以取值表 o 8一o _ 8一。，8 图2 - 5 风载荷体型系数图 1 3 锯齿形连栋塑料温室结构与温度场分析 2 2 3 其它载荷 吊挂载荷即作物因栽培的需要而吊挂在温室上而形成的载荷，这个载荷对温 室的结构构件的设计不可忽略，一般按均布载荷处理，v = 0 1 5k n m 2 ；结构自 重g 根据用材量计算，忽略塑料薄膜重量。 2 2 4 工况分析 温室设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的载荷，按承载能力极限 状态和正常使用极限状态分别进行载荷效应组合( 工况分析) ，并取各自的最不 利组合进行设计。由于最大风载荷与雪载荷不可能同时出现，所以两种载荷组合 类型中雪载和风载不在同一组合里，所以本文主