日光温室结构拓扑优化设计
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ｙ ｕ ａ ｎ ｙ ｕ ０ ５ ３ ０ ＠ １ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ。
参照《 建筑结构荷载规范》 Ｊ ， 根据 日 光温室使用过程
在结 构上 可 能 同时 出 现 的荷 载 ， 以雪 后人 上屋 顶操 作 工 况来 确 定 荷 载 组 合 ， 得 到 日光 温 室 上 弦 的 受 力 情 况， 如 图 ３所 示 。表 １中 ， 列 出 了部 分 节 点 所 受 荷 载
稳 定性 设 计 、 结 构 可 靠 性 设 计 和结 构 优 化 设 计 。结 构
拓扑优化又称 为结构 布局优化 ， 是 一种根 据约束 、 载
荷 及优 化 目标 而 寻求 结 构 材 料 最 佳 分 配 的 优 化 方 法 。
通 常把 结 构 优 化 按 照 设 计 变 量 的类 型 划 分 成 ３个 层 次， 即结 构尺 寸 优 化 、 形 状 优化 和 拓 扑优 化 。 本 研究 以新 疆 焉耆 地 区 日光 温 室 为 研 究 对 象 ， 根 据 拓扑 优 化 原 理 ， 采用 满应力 法 ， 进 行 有 限 元 分 析 得 到各 单 元 在 节 点 处 的最 大 应 力 （ Ｖ ｏ ａ Ｍｉ ｓ ｓ ｅ ｓ ） ， 并 围 绕
有 ２个节 点 ， 每个 节 点有 ３个 自由度 。上 弦 使 用 Ｑ ２ ３ ５ 的钢管 ￣ ｂ ３ ０ ￣ ２， 定 义 弹性模 量 为 ２ ． １ Ｅ 一 １ １ Ｐ ａ ， 泊松 比为
０ ． ３ 。定 义 前 ， 屋 面前 脚 处 ０节 点 和 后 屋 面 Ｅ节 点 有
Ｘ Ｙ方 向 的约 束 ， 得 到 日光 温 室 有 限 元 模 型 如 图 ２所
０ 温 蕈跨 度 Ｌ
图１ 日光 温 室 上 弦模 型 图
Ｆｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｕ ｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ
０ 引 言
随着 日光 温 室广 泛 应 用 于设 施农 业 中 ， 对 温 室 结
１ ． １ 日光温 室上 弦有 限元模 型的建 立
日光温室尺 寸的取值应满 足在一年 中最冷 的一
天 当地 时 间 １ １ ： Ｏ ０ （ 正午前 １ ｈ ） 太 阳 直 射 光 能 直 射 在
后墙 底 处 。上 弦 曲线 采 用 周 长 吉 提 出 的 以 抛 物 线
１ 日光 温 室 上 弦 受 力 分 析
示 。其 中 ， 主要 关键 节点 位置 如表 １ 所示 。
１ ． ２ 日光 温 室上 弦所承 受荷 载的确 定
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ —１ ０ — １ ７
日光 温 室 所 承 受 的荷 载 包 括 恒 载 和 活 载 。本 文
基金项 目 ：兵团科 技局 南疆专项（ ２ ０ １ ２ Ｂ Ａ ０ ５ ４） 作者简介 ：袁 余（ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 湖 南 娄底 人 ， 硕 士研 究 生 ， （ Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ）
室用 材 节 省 ２ ． ９ ％； 设 计 后 杆 件 应 力值 都 趋 近 于 １ × １ ０ ～２ ×１ ０ Ｐ ａ ； 设 计 后 的温 室 结 构模 型 焊接 点 减 少 ， 既 降低 了
工程量 ， 又避 免 因焊 点 过 多 而造 成 的质 量 隐 患 。
关 键 词 ： 日光 温 室 ；拓 扑 优 化 ；满 应 力 法 中 图 分 类 号 ：￥ ６ ２ ５ ． １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ － １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ０ ５ ５ — ０ ５
・
通讯作者 ：史 为 民 （ １ ９ ７ ０ 一）， 男， 新 疆 石河 子 人 ， 副教授， （ Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ）
ｓ ｈ ｉ ｗｅ ｉ ｍｉ ｎ ｈ ｈ ＠ ｙ ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ。
结 构设 计 是 工 程 设 计 的重 要 组 成 部 分 ， 一 个 优 秀
的结构设计方案 应该保 证结构 满足安 全性 、 可靠 性 、 适 用 性 和持 久 性 Ｊ ， 同 时还 应 考 虑结 构 的 经 济 性 。结
构 设 计 一般 分 为 结 构 强 度 设 计 、 结 构 刚度设计 、 结 构
２ ０ １ ３年 １ ０月
农 机 化 研 究
第 １ ０期
日 光 温 室 结 构 拓 扑 优 化 设 计
袁 余 ，赵惊 鹏 ，张 程 ，史 为 民 ，宋
（ 石 河 子 大学 农 学 院 ，新 疆 石 河 子 摘 ８ ３ ２ ０ ０ ０）
文
要 ： 采用 以满 应 力 法 对 日光 温 室进 行 结 构 拓 扑 优 化设 计 ， 结果表明 ： 通过 优 化设 计 ， 温 室 用材 比现 有 日光 温
构 优 化 的研 究 越 来 越 多 。 目前 ， 我 国 日光 温 室 结 构 优
化 设 计 的研 究 主 要包 括 ： 根 据 日光 温 室 采 光 设 计 的 理
和 圆组合 的屋 面 曲线 为 合 理受 力 曲 ， 得 到 日光 温 室 上 弦模 型 图 ， 如图 １ 所示 。
论， 确定最优采光 屋面角 和采光 面形状 ； 研 究 蓄 热 保 温构造 ， 设计 实 现 提 高 温 室 保 温 性 能 ； 研 究 保 证 温 室 安 全性 的承 重 结 构设 计 ， 以 降低 温 室成 本 。
在有 限元 分析 中 ， 上 弦单 元 类 型为 Ｂ ｅ ａ ｍ ３ 。Ｂ ｅ ａ ｍ３
单元 是一 种 可承 受 拉 压 弯 作 用 的单 轴 单 元 ， 每 个 单 元
对 每一 单 元 进 行 应 力 分 析 ， Βιβλιοθήκη Baidu 过增加 下部 杆件 、 迭 代
不 断 改变 各单 元 所 受 力 ， 使 杆 件 所 受 的 应 力 趋 近 最 大 的 允许 值 ， 达 到 满 应力 的设 计 目的 。
参照《 建筑结构荷载规范》 Ｊ ， 根据 日 光温室使用过程
在结 构上 可 能 同时 出 现 的荷 载 ， 以雪 后人 上屋 顶操 作 工 况来 确 定 荷 载 组 合 ， 得 到 日光 温 室 上 弦 的 受 力 情 况， 如 图 ３所 示 。表 １中 ， 列 出 了部 分 节 点 所 受 荷 载
稳 定性 设 计 、 结 构 可 靠 性 设 计 和结 构 优 化 设 计 。结 构
拓扑优化又称 为结构 布局优化 ， 是 一种根 据约束 、 载
荷 及优 化 目标 而 寻求 结 构 材 料 最 佳 分 配 的 优 化 方 法 。
通 常把 结 构 优 化 按 照 设 计 变 量 的类 型 划 分 成 ３个 层 次， 即结 构尺 寸 优 化 、 形 状 优化 和 拓 扑优 化 。 本 研究 以新 疆 焉耆 地 区 日光 温 室 为 研 究 对 象 ， 根 据 拓扑 优 化 原 理 ， 采用 满应力 法 ， 进 行 有 限 元 分 析 得 到各 单 元 在 节 点 处 的最 大 应 力 （ Ｖ ｏ ａ Ｍｉ ｓ ｓ ｅ ｓ ） ， 并 围 绕
有 ２个节 点 ， 每个 节 点有 ３个 自由度 。上 弦 使 用 Ｑ ２ ３ ５ 的钢管 ￣ ｂ ３ ０ ￣ ２， 定 义 弹性模 量 为 ２ ． １ Ｅ 一 １ １ Ｐ ａ ， 泊松 比为
０ ． ３ 。定 义 前 ， 屋 面前 脚 处 ０节 点 和 后 屋 面 Ｅ节 点 有
Ｘ Ｙ方 向 的约 束 ， 得 到 日光 温 室 有 限 元 模 型 如 图 ２所
０ 温 蕈跨 度 Ｌ
图１ 日光 温 室 上 弦模 型 图
Ｆｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｕ ｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ
０ 引 言
随着 日光 温 室广 泛 应 用 于设 施农 业 中 ， 对 温 室 结
１ ． １ 日光温 室上 弦有 限元模 型的建 立
日光温室尺 寸的取值应满 足在一年 中最冷 的一
天 当地 时 间 １ １ ： Ｏ ０ （ 正午前 １ ｈ ） 太 阳 直 射 光 能 直 射 在
后墙 底 处 。上 弦 曲线 采 用 周 长 吉 提 出 的 以 抛 物 线
１ 日光 温 室 上 弦 受 力 分 析
示 。其 中 ， 主要 关键 节点 位置 如表 １ 所示 。
１ ． ２ 日光 温 室上 弦所承 受荷 载的确 定
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ —１ ０ — １ ７
日光 温 室 所 承 受 的荷 载 包 括 恒 载 和 活 载 。本 文
基金项 目 ：兵团科 技局 南疆专项（ ２ ０ １ ２ Ｂ Ａ ０ ５ ４） 作者简介 ：袁 余（ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 湖 南 娄底 人 ， 硕 士研 究 生 ， （ Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ）
室用 材 节 省 ２ ． ９ ％； 设 计 后 杆 件 应 力值 都 趋 近 于 １ × １ ０ ～２ ×１ ０ Ｐ ａ ； 设 计 后 的温 室 结 构模 型 焊接 点 减 少 ， 既 降低 了
工程量 ， 又避 免 因焊 点 过 多 而造 成 的质 量 隐 患 。
关 键 词 ： 日光 温 室 ；拓 扑 优 化 ；满 应 力 法 中 图 分 类 号 ：￥ ６ ２ ５ ． １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ － １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ０ ５ ５ — ０ ５
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通讯作者 ：史 为 民 （ １ ９ ７ ０ 一）， 男， 新 疆 石河 子 人 ， 副教授， （ Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ）
ｓ ｈ ｉ ｗｅ ｉ ｍｉ ｎ ｈ ｈ ＠ ｙ ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ。
结 构设 计 是 工 程 设 计 的重 要 组 成 部 分 ， 一 个 优 秀
的结构设计方案 应该保 证结构 满足安 全性 、 可靠 性 、 适 用 性 和持 久 性 Ｊ ， 同 时还 应 考 虑结 构 的 经 济 性 。结
构 设 计 一般 分 为 结 构 强 度 设 计 、 结 构 刚度设计 、 结 构
２ ０ １ ３年 １ ０月
农 机 化 研 究
第 １ ０期
日 光 温 室 结 构 拓 扑 优 化 设 计
袁 余 ，赵惊 鹏 ，张 程 ，史 为 民 ，宋
（ 石 河 子 大学 农 学 院 ，新 疆 石 河 子 摘 ８ ３ ２ ０ ０ ０）
文
要 ： 采用 以满 应 力 法 对 日光 温 室进 行 结 构 拓 扑 优 化设 计 ， 结果表明 ： 通过 优 化设 计 ， 温 室 用材 比现 有 日光 温
构 优 化 的研 究 越 来 越 多 。 目前 ， 我 国 日光 温 室 结 构 优
化 设 计 的研 究 主 要包 括 ： 根 据 日光 温 室 采 光 设 计 的 理
和 圆组合 的屋 面 曲线 为 合 理受 力 曲 ， 得 到 日光 温 室 上 弦模 型 图 ， 如图 １ 所示 。
论， 确定最优采光 屋面角 和采光 面形状 ； 研 究 蓄 热 保 温构造 ， 设计 实 现 提 高 温 室 保 温 性 能 ； 研 究 保 证 温 室 安 全性 的承 重 结 构设 计 ， 以 降低 温 室成 本 。
在有 限元 分析 中 ， 上 弦单 元 类 型为 Ｂ ｅ ａ ｍ ３ 。Ｂ ｅ ａ ｍ３
单元 是一 种 可承 受 拉 压 弯 作 用 的单 轴 单 元 ， 每 个 单 元
对 每一 单 元 进 行 应 力 分 析 ， Βιβλιοθήκη Baidu 过增加 下部 杆件 、 迭 代
不 断 改变 各单 元 所 受 力 ， 使 杆 件 所 受 的 应 力 趋 近 最 大 的 允许 值 ， 达 到 满 应力 的设 计 目的 。