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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6.5m跨度温室结构进行理论受载分析和有限元分析计算。利用ANSYS软件的ANSYS参数化设计语言开发编程,采用BEAM4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185.786MPa,超出170MPa的极限值,最大位移变形绝对值为29.407mm;在最不利风组合载荷下等效应力最大值为106.578 MPa,最大位移变形绝对值为23.761mm。
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CFD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:9.6m跨度温室在天窗开度较小时温室的自然通风降温效果较6.5m和8m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0.4~1.2℃不等。9.6m跨度温室是本研究优选的对象。
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9.6m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166.642MPa,最大位移为35.205mm;温室在风组合载荷下所受最大等效应力值为158.739MPa,最大位移变形为42.263mm,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4.6252 kg/m2降到了4.4029 kg/m2,降低了4.81%,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9.6m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。