畢業(yè)論文----溫室大棚墻體強度與剛度分析

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　隨著改革開放三十年的社會發(fā)展，人們的生活水平得到了質(zhì)的飛躍。尤其我國的北部地區(qū)一到冬、春季節(jié)，人們就不得不吃泡菜，很少能吃上新鮮的蔬菜。面對此情況，近幾年來，溫室大棚在北方得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。但在07年年底08年年初的特大雪災(zāi)中就對

2、溫室大棚的構(gòu)造提出了嚴峻的考驗，面臨這種形式，其頂棚的抗載設(shè)計和墻體的保溫設(shè)計就顯得非常的重要。</p><p>　　為滿足不同地區(qū),不同季節(jié),不同氣候條件下的動植物生長需要,溫室大棚應(yīng)運而生.而隨著科技的發(fā)展,隨著各種蔬菜,瓜果,花卉,作物的育種育苗和栽培以及一些特種養(yǎng)殖業(yè)對溫,濕,光,水,肥,氣等環(huán)境因子所提出來的越來越高的要求,溫室大棚經(jīng)歷了由低檔到高檔,由傳統(tǒng)到現(xiàn)代的不斷更新與發(fā)展[1].</p&g

3、t;<p>　　1.2 我國溫室大棚的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　?。?）溫室大棚骨架溫棚骨架是溫室大棚的主體,是整個溫棚的承載體,決定了溫棚整體質(zhì)量的優(yōu)劣.早期的原始的大棚骨架以竹木為主,竹木結(jié)構(gòu)以其材料來源容易,成本低廉等優(yōu)點從一開始就受到廣大種植戶的青睞.目前,此類結(jié)構(gòu)的大棚在我國仍然被廣泛使用,約占整個大棚在用面積的89.6%以上.</p><p>　　（2）

4、溫棚覆蓋材料早期傳統(tǒng)的溫棚覆蓋材料以蒲席,稻草苫,塑料薄膜為主,在采光,阻燃,保濕,透氣性,抗沖擊性,防腐,防紫外線等方面存在諸多缺陷.隨著新技術(shù)新材料的研制開發(fā),多功能塑料薄膜,厚型無紡布,浮發(fā)玻璃,聚碳酸脂板,物理發(fā)泡片材,納米涂料的鋁箔等復(fù)合材料不斷地推向市場,在現(xiàn)代高檔溫棚上被逐步使用。</p><p>　?。?）溫棚配套設(shè)施早期溫棚內(nèi)配套設(shè)施少。溫棚配套設(shè)施簡單.隨著科技的發(fā)展,農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程的推進,各

5、種現(xiàn)代化的電動/智能型保溫,噴淋,噴霧,風(fēng)機和滴灌設(shè)備被裝備到溫棚內(nèi),使得溫棚成為一個智能化的溫室工程系統(tǒng),可實現(xiàn)溫,濕,光,水,肥,氣的自動控制.在這方面,目前荷蘭,日本,新加坡等發(fā)達國家做得比較好,我國還處在引進和消化吸收階段.由以上不難看出,目前我國的溫室大棚無論從其主體結(jié)構(gòu)——大棚骨架上看,還是從其覆蓋材料或配套設(shè)施上來看,大都還停留在傳統(tǒng)的低檔水平上.由新技術(shù),新材料,新設(shè)施等高科技裝備起來的高檔溫棚還處在起步階段,只能在一些

6、農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)中才能看到.我國溫室大棚的未來發(fā)</p><p>　　展溫室大棚不僅關(guān)系到與老百姓生活息息相關(guān)的"菜籃子工程",更關(guān)系到我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展.傳統(tǒng)的,落后的,分散的,低效的溫室大棚生產(chǎn)經(jīng)營不僅浪費人力,物力和土地資源,而且無法與國際接軌,參與國際市場競爭.作為一個設(shè)施園藝面積居世界之首的農(nóng)業(yè)大國,必須加快步伐,努力改變溫室大棚設(shè)施低檔化的現(xiàn)狀,不斷研制開發(fā)溫室

7、大棚生產(chǎn)的新技術(shù)新產(chǎn)品,學(xué)習(xí),借鑒和吸收國外的先進生產(chǎn)和經(jīng)營模式,并結(jié)合我國的地理位置和環(huán)境特點,在各地區(qū)因地制宜地發(fā)展大型化,集約化,規(guī)?；?產(chǎn)業(yè)化,配套設(shè)施齊全的連棟溫室大棚.溫棚骨架結(jié)構(gòu)材料由強度低,易腐蝕向強度高,重量小,耐腐蝕,使用壽命長的新材料發(fā)展;溫棚骨架的結(jié)構(gòu)形式由分散的單拱向多拱拼裝式,大型連棟式方向發(fā)展;溫棚覆蓋材料由透氣性,保溫保濕性差向透氣性好,保溫保濕性能優(yōu)越的多功能復(fù)合型材料發(fā)展;.因此,我國的溫室大棚的生產(chǎn)

8、經(jīng)營必然朝著產(chǎn)業(yè)化,規(guī)?；?現(xiàn)代化的方向發(fā)展.</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在太原地區(qū)，溫室大棚的墻體一般都采用磚石結(jié)構(gòu)，磚石結(jié)構(gòu)在我國源遠流長以有兩千年的歷史。由于它有可就地取材、造價低、耐酸耐堿、熱惰性好等特點，因此，在我國墻體材料中仍占有很大比例[2]。但建造溫室大棚的墻體要考慮其室內(nèi)的保溫效果，同時還要考慮其承受外部（風(fēng)載、雪載等）荷載作用下的強

9、度和剛度分析。</p><p>　　從力學(xué)上的定義，強度是指材料抵抗破壞的能力，即材料破壞時所需要的應(yīng)力。一般只針對材料而言的。它的大小與材料本身的性質(zhì)和受力形式有關(guān)。如某種材料的抗拉強度、抗剪強度是指這種材料在單位面積上能承受的最大的拉力、剪力，與材料的形狀無關(guān)。剛度是指某種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即引起單位變形時所需要的應(yīng)力。一般是針對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)而言的。它的大小不僅與材料本身性質(zhì)有關(guān)，而且與構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面

10、和形狀有關(guān)[3]。就目前而言，對復(fù)合相變材料與建筑用材料結(jié)合制成溫室用墻體，以降低溫室能耗和改善溫室熱環(huán)境[4]。</p><p>　　在墻體和頂棚的強度和剛度分析方面，國內(nèi)外的前輩們還是做了大量的相關(guān)研究。如遼寧省建筑科學(xué)研究所的樓永林先生在試驗與分析的基礎(chǔ)上，提出了一種通過用簡單工具進行現(xiàn)場抗剪強度實測，對原有墻體強度指標進行評定的方法[5]。在強度計算方面，后勤工程學(xué)院的劉興遠、方順興、韓富前先生討論了兩種

11、磚砌體抗剪強度的計算公式，并在分析磚砌體抗剪破壞機理及墻體破壞裂縫圖的基礎(chǔ)上，提出了一種新的抗剪強度公式[6],并在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　江蘇理工大學(xué)的施康在做客車車體結(jié)構(gòu)的力學(xué)的特性時，他是對模型這樣做簡化的：</p><p>　　（1）略去了非承載物體； </p><p>　　（2）把頂棚的橫梁、前圍的橫梁等桿件，劃分為若干個直梁單元，近

12、似代替原曲梁；對于兩個靠的很近的很近但但并不重要的交叉連接點簡化為一個節(jié)點處理；</p><p>　?。?）對于一些結(jié)構(gòu)上的孔、臺肩、凹部、翻邊盡量酌情予以圓整光滑，以簡化構(gòu)件截面形狀[7]。這種結(jié)構(gòu)簡化對于溫室大棚的頂棚和墻體的簡化具有一定的指導(dǎo)意義。 </p><p>　　在墻體保溫方面，北京建筑工程學(xué)院的錢陪風(fēng)先生做試驗表明外墻用抗震保溫砌快適用于全國各地。墻厚比磚墻薄，造價低于其

13、他保溫措施[8]。利用邊界元法計算一些問題的數(shù)值解較之有限元法、差分法等一些區(qū)域解法有如下一些優(yōu)點:降低了維數(shù)、節(jié)省了內(nèi)存、提高了計算效益，特別是有限元法與差分法對處理帶孔的無限板和半平面問題比較困難，而邊界元法對這類問題的處理不存在實質(zhì)性的困難帶角點薄板的彎曲間題的計算在斷裂力學(xué)的計算中是一個重要的研究課題，用有限元法進行數(shù)值計算時對角點的處理有兩類方法[9]:</p><p>　　(1)在角點處加密剖分[10

14、][11]</p><p>　　(2)對角點處的解進行定性分析得出角點處的奇異主項，用奇異主項作為插值基函數(shù)來體現(xiàn)角點處的奇異性，而不需要加密剖分來提高解的計算精度[12][13]。用邊界元法解這類問題時，大部分是用角點處加密剖分的方法，而用奇異主項作為插值基函數(shù)的方法進行計算的還很少，只有文獻[14]對Laplace方程利用這一方法計算了應(yīng)力強度因子，對重調(diào)和方程利用這一方法計算的尚未見過。</p>

15、<p>　　1.4 研究或解決的問題和使用的方法</p><p>　　建立溫室大棚的實體模型，利用ANSYA有限元軟件對大棚溫室結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行分析，如頂棚在外載（風(fēng)載、雪載等）作用下的強度與剛度分析，保溫墻的強度分析。在研究過程中，我將采用以下的方法和手段：</p><p>　　了解強度和剛度的基本理論和計算方法。</p><p>　　對墻體和頂

16、棚進行荷載分析。</p><p>　　利用ANSYSA有限元軟件建立實體模型并進行強度和剛度分析。</p><p>　　2 有限元法和強度理論概述</p><p>　　有限單元法是在當今技術(shù)科學(xué)發(fā)展和工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計算機科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計算機輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分

17、。有限元的方法模式和形態(tài)，除經(jīng)典的基于最小勢能原理的位移有限元模式（位移法）外，還發(fā)展了基于余能原理的應(yīng)力平衡模式（應(yīng)力法）；基于廣義勢能原理的雜交模式（應(yīng)力雜交法）；基于H-W混合變分原理的混合有限元模式（混合法）等。</p><p>　　2.1 有限元法概況</p><p>　　從應(yīng)用數(shù)學(xué)角度來看，有限元方法的發(fā)展始于1943年Courant的工作。他首先嘗試將一系列三角形區(qū)域上定義

18、的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理相結(jié)合來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題。此后，不少應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師分別從不同角度對有限元法的離散理論、方法及應(yīng)用進行了研究。有限元的實際應(yīng)用是隨著電子計算機的出現(xiàn)而開始的。1946年第一臺計算機在美國投入運行，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣表達方法特別適用計算機編寫程序，從而可解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算問題。1956年，波音公司Turner等人將求解桿件結(jié)構(gòu)的方法推廣到求解連續(xù)體力學(xué)問題，將連續(xù)的彈性平面區(qū)域離散

19、為有限個幾何形狀簡單的三角形或四邊形單元，這些單元僅在節(jié)點連接，并在數(shù)學(xué)上采用了矩陣表達式，這是有限元方法求解復(fù)雜彈性力學(xué)問題的新階段。1960年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Clough進一步求解了平面彈性問題，第一次提出“有限單元法”的名稱，從此有限元方法以其優(yōu)越性迅速占領(lǐng)了彈性靜力學(xué)領(lǐng)域，將彈性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的理論研究和應(yīng)用水平推向新的高度。20世紀70年代以來，有限單元法進一步得到蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴展到所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題

20、數(shù)值解法中最活</p><p>　　2.2 有限元基本思想</p><p>　　有限元是數(shù)學(xué)、力學(xué)及計算機科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣學(xué)科，是現(xiàn)代科學(xué)和工程計算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其物理實質(zhì)是用有限個單元體的組合代替連續(xù)體，化無限自由度問題為有限自由度問題；其數(shù)學(xué)實質(zhì)是用有限子域的組合代替一個連續(xù)域，化連續(xù)場函數(shù)的微分方程求解問題為有限個參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題。有限元方法可

21、以求解許多過去用解析方法無法求解的問題，對于邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀都不規(guī)則的復(fù)雜問題，有限元方法是行之有效的現(xiàn)代分析方法。有限元法是一種離散化的數(shù)值方法，將一個表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個子域（單元），并通過它們邊界上的節(jié)點相互聯(lián)結(jié)成為組合體。對每個單元，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面（內(nèi)部邊界）上以及子域與外界分界面（外部邊界）上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程組合起來得到整個結(jié)構(gòu)的方程組，求解該方程組

22、，從而得到問題的近似解。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)，必須以結(jié)構(gòu)的實際情況，決定單元的類型、數(shù)目、形狀、大小以及排列方式。這樣做的目的是將結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡單位移模型能足夠近似的表示精確解，同時不能太小，否則計算量太大。選取的插值函數(shù)通常是多</p><p>　?。?）當以最小勢能原理為基礎(chǔ)的位移法求解時，未知量為位移；</p><p>　?。?）當以最小余能原理為基礎(chǔ)的應(yīng)力法求解

23、時，未知量為應(yīng)力；</p><p>　?。?）以這兩種方法混合求解時，則未知量為位移和應(yīng)力的組合。</p><p>　　2.3 有限元分析步驟</p><p>　　有限元法求解各種問題一般遵循以下分析步驟：</p><p><b>　?。?）結(jié)構(gòu)離散化</b></p><p>　　有限元法把彈性

24、連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連，節(jié)點一般都在單元邊界上，節(jié)點的位移分量作為基本未知量，組成了有限單元集合體并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，就成為有限自由度的有限計算模型，代替了原來無限多自由度的連續(xù)體。有限元法的實質(zhì)是把無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化，適合數(shù)值求解。對于每個具體問題，離散化的具體內(nèi)容是選擇適當?shù)膯卧愋汀Q定單元尺寸和數(shù)量、單元的布局以及節(jié)點的連接方式。單

25、元尺寸足夠小才能保證計算精度，單元尺寸足夠大才能減少計算過程的工作量。理論上講，單元劃分得越細，節(jié)點布置越多，計算結(jié)果越精確。計算機發(fā)展至今，其容量和運算速度已經(jīng)不是主要矛盾，但是分析比較證明節(jié)點和單元的數(shù)量達到一定值后，再加密網(wǎng)格對于提高計算精度效果就不顯著了。劃分單元的一般原則是：關(guān)鍵部位盡可能使用小單元和高精度單元，應(yīng)力和位移變化平緩的部位可以采用大單元和低精度單元；在邊界曲折、應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度大的地方，如集中載荷處、分布載荷突

26、變的地方，單元應(yīng)當劃分的細一些；任何單元的節(jié)點也應(yīng)當是相鄰單元的節(jié)點；材料變化的地方應(yīng)當劃分新的單元。</p><p>　?。?）單元力學(xué)特性分析</p><p>　　單元力學(xué)特性的分析目的是求得單元剛度矩陣[K]e，[K]e反映了單元上力和位移之間的關(guān)系。</p><p><b>　　a.選擇位移模式</b></p><p

27、>　　這是單元特性分析的第一步。首先假設(shè)一個簡單的函數(shù)（通常是多項式）來模擬單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，這個簡單的函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。選擇合適的位移函數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵，它將決定有限元求解的精確程度。位移函數(shù)的選擇一般遵循以下原則（有限元解的收斂原則）：在單元內(nèi)位移函數(shù)必須是連續(xù)的，而在相鄰單元公共邊界上的位移必須協(xié)調(diào)；位移函數(shù)必須能反映單元的剛體位移；位移函數(shù)必須能反映單元的常量應(yīng)變。有限元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時

28、稱為位移法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限元法中應(yīng)用范圍最廣。當采用位移法時，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，單元其它物理量，如應(yīng)力和應(yīng)變等，由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用逼近原</p><p>　　函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常有限元法將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)。單元內(nèi)任一點的位移均可以用節(jié)點位移來表示

29、：</p><p>　　f=[N]{δ} (2-1)</p><p>　　其中，{δ}為單元的節(jié)點位移，[N]為形函數(shù)矩陣。</p><p>　　b.分析單元的力學(xué)性質(zhì)</p><p>　　在選擇單元類型和相應(yīng)的位移模式之后，即可按幾何方程、物理方程導(dǎo)出單元應(yīng)變與應(yīng)力的表

30、達式，然后利用虛功原理或變分法或其它方法建立各單元的剛度矩陣。單元分析的另一內(nèi)容是將作用在單元上的非節(jié)點載荷移置到節(jié)點上，形成等效節(jié)點載荷矩陣，因為有限元法假設(shè)載荷是作用在節(jié)點上，并由節(jié)點傳遞的。單元的力學(xué)特性分析目的是求得單元剛度矩陣。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩

31、陣。力和位移的關(guān)系式為</p><p>　　{F}=[K] {δ} (2-2)</p><p>　　其中，{F}為單元的節(jié)點力，[K]為單元剛度矩陣。</p><p>　?。?）計算等效節(jié)點力</p><p>　　物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單

32、元的，但是對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞的，因而這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效到節(jié)點上，也就是用等效的節(jié)點來代替所有作用在單元上的力。</p><p>　?。?）集合單元方程得到總的平衡方程組</p><p>　　利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程</p><p>　　[K]{δ}

33、={R} (2-3)</p><p>　　式中，[K]是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，{δ}是節(jié)點位移列陣，{R}是載荷列陣。</p><p>　　（5）求解未知節(jié)點位移</p><p>　　對式（2-3）進行邊界約束處理，得修改后的有限元方程，解此有限元方程得出節(jié)點位移。</p>

34、<p>　?。?）單元應(yīng)變和應(yīng)力</p><p>　　根據(jù)計算得到的整體結(jié)構(gòu)上的節(jié)點位移，可以知道每個單元的節(jié)點位移，將單元節(jié)點位移代入單元應(yīng)力和單元位移的關(guān)系式就可以得到單元上的應(yīng)力。復(fù)合材料的各向異性產(chǎn)生各種復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，對于簡單的結(jié)構(gòu)（如板、殼）可以得到彈性力學(xué)的一般解，而對于大多數(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)來說，必須采用數(shù)值計算方法，三維有限元分析是最常用的方法。有限元計算技術(shù)對于求解復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題

35、已有相當廣泛的研究,在這一領(lǐng)域可分為兩個分支：一是有限元法應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如板、殼等）力學(xué)問題；二是有限元技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料細觀力學(xué)行為的模擬分析。前者追求真實工程環(huán)境下結(jié)構(gòu)問題的解決，后者側(cè)重于材料細觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系分析。有限元方法在復(fù)合材料力學(xué)問題中的應(yīng)用是在80年代末，隨著計算材料科學(xué)或稱計算機輔助材料設(shè)計興起而真正得到迅猛發(fā)展。</p><p>　　2.4 有限元模型</p>&

36、lt;p>　　用ANSYS的前處理模塊建立結(jié)構(gòu)有限元模型有兩種方法：實體建模法和直接生成法。使用實體建模，首先生成能描述模型幾何形狀的幾何模型，然后指示ANSYS軟件按照指定的單元大小和形狀對幾何體進行網(wǎng)格劃分生成節(jié)點和單元。對于直接生成法，需要手工定義每個節(jié)點的位置，以及每個單元的大小、形狀和連接關(guān)系。實體建模和直接生成方法都有各自的缺點，具體采用哪種方法需要在具體工作中根據(jù)具體情況進行選擇。表2-1列出了實體建模和直接生成法的

37、優(yōu)缺點。實體建模一般比直接生成法更加有效和通用，是一般建模的首選方法，本文采用實體建模的方法。</p><p>　　表2-1 模型生成方法的優(yōu)缺點比較</p><p>　　2.5 強度理論概述</p><p>　　各種材料因強度不足引起的失效現(xiàn)象是不同的，塑性材料，如普通碳鋼，以發(fā)生屈服現(xiàn)象，出現(xiàn)塑性變形為失效標志。脆性材料，如鑄鐵，失效現(xiàn)象則是突然斷裂。在單向受

38、力情況下，出現(xiàn)塑性變形時的屈服極限σS和發(fā)生斷裂時的強度極限σb,可由實驗測定. σs 和 σb 可統(tǒng)稱為失效應(yīng)力.以安全系數(shù)除失效應(yīng)力,便得到許用應(yīng)力,便得到許用應(yīng)力[σ ] , 于是建立強度條件</p><p><b>　　σ≤[σ]</b></p><p>　　可見,在單向應(yīng)力狀態(tài)下,失效狀態(tài)或強度條件都是以實驗為基礎(chǔ)的.</p><p>

39、;　　實際構(gòu)件危險點的應(yīng)力狀態(tài)往往不是單向的.實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實驗,要比單向拉伸或壓縮困難的多.常用方法是把材料加工成薄壁圓筒,在內(nèi)壓P作用下,筒壁為二向應(yīng)力狀態(tài).如再配以軸向拉力F,可使兩個主應(yīng)力之比等于各種預(yù)定的數(shù)值.這種薄壁筒實驗除作用內(nèi)壓和軸力外,有時還在兩端作用扭矩,這樣還可以得到更普遍的情況.此外,也還有一些實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的其他實驗方法.盡管如此,完全復(fù)現(xiàn)實際中遇到的各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),并不容易.況且,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)中應(yīng)力

40、組合的方式和比值,又有各種可能.如果像單向拉伸一樣,靠實驗來確定失效狀態(tài),建立強度條件,則必須對各式各樣的應(yīng)力狀態(tài)一一進行實驗,確定實效應(yīng)力,然后建立強度條件.</p><p>　　衡量受力和變形程度的量又有應(yīng)力,應(yīng)變和應(yīng)變能密度等.人們在長期的生產(chǎn)活動中,綜合分析材料的失效現(xiàn)象和資料,對強度失效提出各種假說.這類假說認為,材料之所以按某種方式失效,是應(yīng)力,應(yīng)變或應(yīng)變能密度等因素中某一因素引起的.按照這類假說,無

41、論是簡單還是復(fù)雜的營利狀態(tài),引起失效的因素是相同的.亦即,造成失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān),這類假說稱為強度理論.下面就介紹四種常用的強度理論.</p><p>　　最大拉應(yīng)力理論(第一強度理論) 這一理論認為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素.即認為無論是什么應(yīng)力狀態(tài),只要最大拉應(yīng)力達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值,則材料就發(fā)生斷裂.既然最大拉應(yīng)力的極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān),于是就可用單向應(yīng)力狀態(tài)確定這一極限值.單向拉伸只

42、有σ1（σ2 =σ3=0）,而當σ1 達到強度極限σb 時,發(fā)生斷裂.這樣,根據(jù)這一理論,無論是什么應(yīng)力狀態(tài),只要最大拉應(yīng)力σ1 達到 σb 時就導(dǎo)致斷裂.于是得斷裂準則</p><p>　　σ1 = σb ( 2-4)</p><p>　　將極限應(yīng)力σb 除以安全因數(shù)得許用應(yīng)力[σ] ,所以按第一強度理論建立的強度條件是</p>&l

43、t;p>　　σ1≤[σ] (2-5)</p><p>　　這一理論沒有考慮其他兩個應(yīng)力的影響,且對沒有拉應(yīng)力的狀態(tài)(如單向壓縮,三向壓縮等)也無法應(yīng)用.</p><p>　　最大伸長線理論(第二強度理論) 這一理論認為最大伸長線應(yīng)變是引起斷裂的主要因素.既認為無論什么應(yīng)力狀態(tài)。只要最大伸長線應(yīng)變ε1 達到與材料性

44、質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料既發(fā)生斷裂。ε1的極限值既然與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，就可以由單向拉伸拉確定。設(shè)單向拉伸直到斷裂仍可用胡克定律計算應(yīng)變，則拉段時伸長線的應(yīng)變值應(yīng)為εu =σb \ E。按照這一理論，任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要ε1達到極限值σb\E,材料就發(fā)生斷裂。估得斷裂準則為：</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p><b>　　由廣義胡克

45、定律： </b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　代入（2-6）式得斷裂準則：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　將σb除以安全因數(shù)得許用應(yīng)力[σ]，于是按第二強度理論建立得強度條件是：</p><

46、p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　最大切應(yīng)力理論（第三強度理論） 這一理論認為最大切應(yīng)力是引起屈服的主要因素。即認為無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸下，當與軸線成45度的斜截面上的時（這時，橫截面上的正應(yīng)力為σs ）,出現(xiàn)屈服?？梢?，σs\2就是導(dǎo)致屈服的最大切應(yīng)力的極限值。因為這一極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，任意

47、應(yīng)力狀態(tài)下，只要達到σs\2,就引起材料的屈服，任意應(yīng)力狀態(tài)下，</p><p>　　于是得屈服準則： (2-10)</p><p>　　或 σ1－σ3 = σs

48、 (2-11)</p><p>　　將σs換換為許用應(yīng)力[σ]，得到按第三強度理論建立的強度條件</p><p>　　σ1－σ3 ≤[σ] (2-12)</p><p>　　畸變能密度理論（第四強度理論） 這一理論認為畸變能4密度是引起屈服的主要因素。即認為無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達

49、到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸下，屈服應(yīng)力為σs,，相應(yīng)的畸變能密度由公式</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　求出為 (2-14)</p><p>　　這就是導(dǎo)致屈服的畸變能密度的極限值。

50、任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要畸變能密度達到上述極限值，便引起材料的屈服。故畸變能密度屈服準則為：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　在任意應(yīng)力狀態(tài)下，由公式（2-13），代入（2-15）式，整理后得到屈服準則為</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p&

51、gt;　　上式屈服準則為一橢圓行曲線。把σs除以安全因數(shù)許用應(yīng)力[σ]，于是，按第四強度理論得到的強度條件是：</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　綜合公式（2-5），（2-9），（2-12），（2-17），可把四個強度理論的強度條件寫成以下的統(tǒng)一的形式：</p><p>　　σr ≤[σ]

52、 (2-18)</p><p>　　式中σr稱為相應(yīng)應(yīng)力。它由三個主應(yīng)力按一定形式組合而成。按照從第一強度理論到第四強度理論的順序，相應(yīng)的應(yīng)力分別為：</p><p>　　σr1 =σ1

53、 ( 2-19)</p><p>　　σr2 =σ1-μ(σ2 + σ3) (2-20)</p><p>　　σr3 =σ1﹣σ3

54、 (2-21)</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　有限元方法和軟件為分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了理論和軟件支持。本章第一部分介紹了有限元法的發(fā)展概況、基本思想以及分析步驟；第二部分介紹了常用的幾種強度理論，

55、為下章軟件分析做好了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　3 頂棚和墻體受載時的力學(xué)分析</p><p><b>　　3.1 概述：</b></p><p>　　ANSYS軟件中結(jié)構(gòu)受載分析模塊用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷引起的系統(tǒng)</p><p>　　或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。受載分析是結(jié)構(gòu)分析中最基本的一種分析</p

56、><p>　　類型，在ANSYS中基本分析步驟包括指定分析類型、建立有限元模型，根</p><p>　　據(jù)分析對象的工作和安裝條件施加有限元模型的邊界條件，并對結(jié)構(gòu)進行分</p><p>　　析求解，然后對結(jié)果進行后處理等。</p><p>　　本文頂棚和墻體結(jié)構(gòu)的受載分析主要研究結(jié)構(gòu)在受均布載荷作用下的應(yīng)力、位移等分布規(guī)律，并且對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

57、。</p><p>　　3.2 頂棚受載時的力學(xué)分析：</p><p>　　目前，我們生活中所應(yīng)用的溫室大棚，大多數(shù)都采用的是PC板材，又稱聚碳酸酯板材，是一種新型的高強度、隔熱、透光，輕便建筑材料，被廣泛應(yīng)用于燈箱制作、車篷采光、公路護攔、防爆盾牌、采光天幕、工業(yè)廠房、溫室大棚、觀察窗、聲屏障、展覽采光等。</p><p>　　本文中將建立波紋狀結(jié)構(gòu)和拱形結(jié)構(gòu)，

58、將比較兩者在相同的荷載下其結(jié)構(gòu)所發(fā)生的力學(xué)變化。我們所采用的都是PC板材，建立的模型都是長為5.990m,寬為0.85m,厚度為1.8mm,材料的彈性模量為15Gpa,泊松比為0.33,截面的形狀如圖2-1所示,考慮受到的雪載及風(fēng)載等載荷因素, 覆蓋層的受壓力為333.4N/m2 如果不加其他支承僅在板四邊固定,板的變形過大,因此在板的中間橫向加了支承,其中支承的間距最長為1.527m,因此選取間距最長的支承段進行計算,如果這段的強度

59、和剛度能滿足，,則整個結(jié)構(gòu)的強度和剛度就滿足要求。</p><p>　　圖3-1 波紋板軟件圖形 圖3-2 拱形板軟件圖形</p><p>　　建立選取段的力學(xué)模型圖2所示，考慮到板安裝時采用螺栓固定，因此將板的長邊簡化為簡支（只約束x、y、z三個方向的位移，不約束轉(zhuǎn)動）。切開的截面約束也采用了簡支的約束形式，這樣簡化實際上是減弱了這個邊的約束，因為舍去的板的

60、兩邊會對其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動約束，在計算中不考慮轉(zhuǎn)動約束，變形的計算結(jié)果應(yīng)該更大點。</p><p>　　圖3 -3 頂棚的力學(xué)模型</p><p>　　采用ANSYS軟件進行計算，本文將采用Shell Elastic 4node進行網(wǎng)格劃分,下圖為波紋板和拱行板的網(wǎng)格劃分圖:</p><p>　　圖3-4 波紋板的網(wǎng)格劃分圖 圖3-5 拱形板的網(wǎng)

61、格劃分圖</p><p>　　考慮到頂棚主要受雪載和風(fēng)載荷的影響,覆蓋層的受壓力為333.4N/㎡,將其加載在波紋板和拱形板上,其應(yīng)力,應(yīng)變云圖如下: </p><p>　　圖3-6 波紋板的等效應(yīng)力圖</p><p>　　圖3-7 拱形板的等效應(yīng)力圖</p><p>　　圖3-8 波紋板的變形云圖</p><p&

62、gt;　　圖3-9 拱形板的變形云圖 </p><p>　　在力學(xué)分析時,我們所構(gòu)建的波紋板和拱行板都是采用PC板材,其選取段的力學(xué)模型都一樣.考慮到其受到雪載和風(fēng)栽的影響,對其覆蓋層所施加的均布壓力都為333.4N/㎡. </p><p>　　從應(yīng)力方面來看,波紋板的最小應(yīng)力為31741N/㎡,而拱形板的最小應(yīng)力為86651N/㎡,波紋板的最大應(yīng)力為-609E+07,而拱形板的

63、最大應(yīng)力為548502N/㎡.由此可見,在相同荷載下,拱形板的應(yīng)力變化比波紋板劇烈.所以波紋板比拱形板抵抗破壞的能力強.</p><p>　　從應(yīng)變方面來看,波紋板的最大應(yīng)變?yōu)?0.002254,而拱形板的最大應(yīng)變?yōu)?.965E-04,由此可見,在相同荷載下,拱形板發(fā)生的變形比波紋板的大,所以波紋板比拱形板抵抗變形的能力強.</p><p>　　綜上所述,不論從抵抗破壞還是抵抗變形的能力方

64、面來考慮,波紋板都比拱形板具有無可比擬的優(yōu)越性,從經(jīng)濟方面來講,波紋板比拱形板節(jié)省材料,所以波紋板更經(jīng)濟.所以有實驗分析結(jié)果,我建議以后溫室大棚的頂棚結(jié)構(gòu)將采用波紋板,這樣更安全更經(jīng)濟。</p><p>　　3.3 溫室墻體受載時的力學(xué)分析.</p><p>　　溫室的保溫墻采用夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計,為了計算方便在建立力學(xué)模型時,不考慮保溫墻內(nèi)的填充物,但重量仍然考慮,這樣考慮計算簡單,并且計算

65、結(jié)果偏于安全,因為填充物本身也有一定的承載能力. 由于墻體所受荷載為均布載荷，因此建模時取單位長度的墻體進行受載分析，我們研究的對象為太原地區(qū)普遍采用的磚砌水泥實體墻體。其建模數(shù)據(jù)為：長為1m,寬為0.115m,高為2.071m,泊松比為0.15,彈性模量為E=20GPa,密度為ρ=2500Kg/㎡·m.軟件建立的墻體結(jié)構(gòu)如下圖所示:</p><p>　　圖3-10 軟件建立的墻體結(jié)構(gòu)</p&g

66、t;<p>　　墻體所受載荷主要是風(fēng)載和墻體壓力,在太原地區(qū),最大風(fēng)力為八級,風(fēng)載在八級時為206N/㎡,等面壓力只要是考慮自重, 將整個墻的自重加載等面上，而其他載荷可以不計,如雪載….., 因為這些載荷主要由桁架承擔，對墻的壓力很小可以忽略不計.墻體受力如下圖四所示:</p><p>　　圖3-11 水泥墻體的受力圖</p><p>　　對其進行網(wǎng)格劃分和施加載荷，我們

67、在進行ANSYS分析時只對其下端面進行約束，這樣計算的結(jié)果將與實際符合。下圖為墻體的網(wǎng)格劃分圖形和在受載時的應(yīng)力應(yīng)變云圖。</p><p>　　圖3-12 墻體網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　圖3-13 墻體在受載荷時的應(yīng)變云圖</p><p>　　圖3-14 墻體在受載荷時的應(yīng)力云圖</p><p>　　圖13為水泥墻體在受載時的應(yīng)變

68、云圖，由圖可看出在載荷作用下墻頂端的變形最大，最大位移為0.183E-07米，該變形相對于墻的結(jié)構(gòu)尺寸來講很小，按照剛度設(shè)計要求，完全可以滿足設(shè)計要求。</p><p>　　圖14為墻體的等效應(yīng)力云圖，由圖可看出在載荷作用下墻的最大應(yīng)力在底部固定端處，最大應(yīng)力為12401Pa，材料的彎曲強度極限為310 Mpa , 完全可以滿足強度設(shè)計要求。</p><p><b>　　3.4

69、 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章利用ANSYS軟件建立了波紋板和拱形板的有限元模型,并且通過受載分析可知,相同屬性的波紋板比拱形板更能抵抗破壞性和變形.并且現(xiàn)用的水泥砌磚墻體滿足強度和剛度要求.</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　建立溫室大棚的實體模型，利用ANSYA有限元軟件對大棚溫室

70、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行分析，如頂棚在外載（風(fēng)載、雪載等）作用下的強度與剛度分析，墻體的強度分析。在研究過程中，我們將了解了強度和剛度的基本理論和計算方法,并且熟練的用ANSYSA有限元軟件建立了實體模型并且在受載時進行了強度和剛度分析.</p><p>　　由第三章實驗分析我們可以得到以下幾個結(jié)論.</p><p>　　在板的四邊x、y、z方向都給約束的情況下,板的應(yīng)力最大變化發(fā)生在板的固定段

71、周圍.</p><p>　　在板的四邊x、y、z方向都給約束的情況下,板的應(yīng)變最大變化發(fā)生在板的幾何中心周圍.</p><p>　　通過比較我們可以得出,相同條件下,波紋板比拱形板更能抵抗破壞和抵抗變形.</p><p>　　現(xiàn)有的水泥墻體設(shè)計完全滿足太原這一地區(qū)的抗載設(shè)計要求.</p><p><b>　　參 考 文 獻</

72、b></p><p>　　[1]《安徽農(nóng)機》2003年第一期《淺談我國溫室大棚的現(xiàn)狀與發(fā)展》</p><p>　　[2] 徐炳華，大力發(fā)展砌塊建筑是墻體改革的有效途徑 ，1990.2</p><p>　　[3] 劉鴻文，材料力學(xué)第4版，2003.3</p><p>　　[4] 張立明，溫室墻體復(fù)合相變材料的制備與蓄熱機理研究，2008.

73、5</p><p>　　[5] 樓永林，原有墻體強度指標的評定及其試驗研究，1987.12</p><p>　　[6] 劉興遠 、方順興等，磚砌體墻體抗剪強度計算公式研究，1993.2</p><p>　　[7] 施康，江蘇理工大學(xué)，蒙皮對客車車身底架和頂棚結(jié)構(gòu)的強度和剛度的影響，2006.6</p><p>　　[8] 錢培風(fēng), 北京建筑

74、工程學(xué)院, 抗震防裂與抗震保溫砌塊建筑的強度與效益.</p><p>　　[9] 錢祖平, 帶裂紋薄板彎曲問題的邊界元法分析,1993.6</p><p>　　[10] Snyder M D, Cruse T A. Boundary-integral Equation Analysis of Cracked Anisotropic Plates .int. Journ. Of Fract

75、ure,1975.11</p><p>　　[11]George E. Blandford. Two-Dimensional Stress Intensity Factor Computations using the Boundary Element Method. Int. J. for Num methods in Engineering,1981.17</p><p>　　[12]

76、 斯特朗G，費克斯GJ.有限元法分析.北京:科學(xué)出版社，1981</p><p>　　[13]Fix G J. On the Use of Singular Functions With Finite Element Approxima-tions J. of Comp. Physics. 1973.13</p><p>　　[14]Xanthis L S. The treatment o

77、f singularities in the Calculation of Stress Intensity Factors using the Boundary Integral Equation Method. Comp. methods in applied mech. And engineering, 1981.26</p><p>　　[15]王慶五，ANSYS10.0高級機械設(shè)計應(yīng)用軟件，第二版，20

78、06。</p><p>　　[16]汪海芳，復(fù)合材料的支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析，工學(xué)碩師學(xué)位論文。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在導(dǎo)師XX的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的學(xué)識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高深的學(xué)術(shù)水平和實事求是的工作作風(fēng)，對我的工作、學(xué)習(xí)和生活都帶來了極其深刻的影響，這將使我終生受益。導(dǎo)師

79、對待學(xué)生和藹可親、認真負責，對待學(xué)術(shù)問題精益求精，這一點我感受頗深。值此畢業(yè)之際，對導(dǎo)師半年來的悉心教導(dǎo)表示衷心的感謝。</p><p>　　同時感謝***在我完成課題過程中給予的關(guān)心和幫助。一路走來，正是有他（她）們的熱心幫助才使我得以克服諸多困難，不僅獲得了學(xué)術(shù)上的進步，更收獲了珍貴的友誼！</p><p>　　非常感謝我的家人和朋友在我求學(xué)生涯中所給予的理解和支持，是他（她）們的大力