趙斌 嚴巾堪 盧志超 張道坤

(山東中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?濟南 250061)

0 引言

隨著“廁所革命”的推進和公共衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，廁所不再僅僅作為能解決個人生理需求的固定地點，其也在向著多元化、層次化、智能化、景觀化的方向發(fā)展。目前公共衛(wèi)生間樣式也由以前單一的固定式重力沖水廁所發(fā)展出了各種各樣的形式，如獨立式公廁、附建式公廁、移動式公廁、地下公廁等。

移動式環(huán)保公廁車可以重復(fù)且較為方便地整體移動到指定的工作地點，其占地面積小、機動性強的特點使其廣泛應(yīng)用于受地形限制的旅游景區(qū)、大型室外文娛活動、體育賽事現(xiàn)場等區(qū)域[1]。由于移動式環(huán)保公廁車工作范圍廣、環(huán)境復(fù)雜，且沒有地基固定，這就對其抗地震能力、抗風(fēng)載傾覆能力要求特別高。研究其在不同地震載荷、風(fēng)力載荷條件下的靜強度狀況，確保其在工作環(huán)境下安全可靠運行具有極其重要的意義。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，也讓不同工況下模型的多方位仿真分析成為可能[2-7]。

基于目前移動式環(huán)保公廁的使用形式，本文選取較為常見的半掛移動式環(huán)保公廁車作為研究對象，分析其在不同地震載荷、不同風(fēng)載荷及綜合工況條件下整體架構(gòu)的靜強度變化，從而為該類型移動式公廁車的極限工作條件及安全分析提供參考。

1 幾何模型

1.1 模型描述

移動環(huán)保公廁車由車輛底架、上部框架及裝置、泵站、污物箱及水箱等組成。底架采用13 000 mm×3 000 mm×1 470/970 mm半掛車，框架采用底梁結(jié)構(gòu)，主框架材料為12#槽鋼，立面結(jié)構(gòu)主框架采用40 mm×60 mm方鋼焊接，整車質(zhì)量約15 000 kg。

為簡化計算，泵站、污物箱、水箱模型簡化為質(zhì)點，位于其對應(yīng)位置處。簡化后模型如圖1所示。其中，廁所車前進方向為X軸，垂直路面豎立方向為Z軸，垂直前進水平方向為Y軸。

圖1 移動式環(huán)保公廁車簡化幾何模型

1.2 材料參數(shù)

車廂各部件材料主要有兩種，鋼架結(jié)構(gòu)為Q-235型鋼(12#槽鋼及40 mm×60 mm的方鋼)，外面包絡(luò)殼體為碳化木材，厚度為10 mm，兩種材料的主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能[8]

1.3 網(wǎng)格模型

模型采用實體單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分188 121個單元，共計757 194個節(jié)點。移動式環(huán)保公廁車網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 移動式環(huán)保公廁車網(wǎng)格模型

1.4 約束與載荷

車體輪胎及支撐采用位移約束?？紤]移動環(huán)保公廁車自身的重量引起的載荷。

1.4.1 風(fēng)載

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]的規(guī)定，風(fēng)壓計算按照以下公式進行：

式中，w0為基本風(fēng)壓；ρ為空氣密度；v0為基本風(fēng)速。

由于移動式環(huán)保公廁車為矩形結(jié)構(gòu)，依據(jù)標準GB 50009—2012的規(guī)定，該車的風(fēng)載加載可按圖3進行，CW為風(fēng)載系數(shù)。

圖3 風(fēng)載施加示意

1.4.2 地震載荷

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10]，考慮移動公廁的實際使用條件，設(shè)計考慮地震烈度為6～10度。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)載對移動式環(huán)保公廁車強度性能的影響

由于移動式環(huán)保公廁車工作時，每天承受不同風(fēng)級載荷的作用?？紤]常規(guī)使用環(huán)境可能經(jīng)受的風(fēng)級及可忽略情況，分析了6～12級風(fēng)載情況下對移動式環(huán)保公廁車應(yīng)力和變形的影響。利用ANASYS Workbench軟件分別分析的風(fēng)載工況如表2所示。有限元模型施加載荷情況如圖4所示。

表2 移動式環(huán)保公廁車承受風(fēng)載工況

圖4 受12級風(fēng)載時車體載荷與約束施加

分別對表2中5種風(fēng)載工況進行仿真分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)載工況下，移動公廁車變形及應(yīng)力比較

從圖5可以看出，隨著風(fēng)載增大，移動式環(huán)保公廁車變形及應(yīng)力都逐漸增大，并且趨勢一致。隨著風(fēng)載增大，移動式環(huán)保公廁整體變形及應(yīng)力并不是線性變化。一方面移動公廁車承受載荷增大，另一方面對框架結(jié)合部位的沖擊和破壞越來越嚴重，公廁車框架發(fā)生不可恢復(fù)性變形，從而造成移動公廁整體變形超過線性增加，讓整體框架承受越來越大的破壞。在承受10級及以下風(fēng)載情況下，變形基本都在0.6 mm以下，對車體各部分影響不大，可以在風(fēng)載消失后自主恢復(fù)，故此時不需要再另行專門檢查或加固。但是當(dāng)承受風(fēng)級超過12級以后，變形超過0.75 mm，甚至達到1.2 mm，此時情況下，即使應(yīng)力未超過框架基材的許用應(yīng)力，也需要在風(fēng)載過后對車體進行整體強度檢查，甚至進行局部加固，以確保移動式環(huán)保公廁車的安全使用。

圖6展示了受12級風(fēng)載工況下，車體裝配體與車體鋼架結(jié)構(gòu)的變形云圖，最大變形量為0.753 mm，發(fā)生于車體外敷碳化木板上。圖7所示為受12級風(fēng)載工況下，車體裝配體與車體鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為24.509 MPa，發(fā)生在鋼架結(jié)構(gòu)下支架的彎折處。整體結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力值遠小于碳化木板的抗壓應(yīng)力值和Q235鋼的屈服極限，符合強度及剛度要求；但由于變形相對較大，風(fēng)載過后仍需對車體結(jié)構(gòu)進行檢查，確保安全使用。

(a)車體裝配體

(b)車體鋼架

(a)車體裝配體

(b)車體鋼架

2.2 地震載荷對移動式環(huán)保公廁車強度性能的影響

移動式環(huán)保公廁車工作環(huán)境下，也有可能承受不同程度的地震載荷。輕微地震載荷對公廁車影響較小，不再仔細分析；這里主要考慮6～10級地震載荷情況下對移動式環(huán)保公廁車應(yīng)力和變形的影響。利用ANASYS Workbench軟件分別分析的地震載荷工況如表3所示。有限元施加載荷情況(地震烈度9度時載荷施加)如圖8所示。

表3 移動式環(huán)保公廁車承受地震載荷工況

注：g為重力加速度，約9.8 m/s2。

圖8 地震荷載(烈度9度)工況下車體載荷及約束施加

分別對表3中5種地震載荷工況進行仿真分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 地震載荷對移動公廁車強度性能影響

觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著地震載荷的增大，移動式環(huán)保公廁車的變形及應(yīng)力值都逐漸增大，并且隨著載荷的持續(xù)變大，其變形和應(yīng)力加大的斜率也在不斷變大。在載荷較小的范圍內(nèi)變化時，雖然車體變形及應(yīng)力都會增大，但是對車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞較小，變形恢復(fù)較快。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，在9級烈度以下時，車體變形很小，承受這種程度的載荷不會對車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。但是當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_到9度并再次增加時，車體變形嚴重，并且應(yīng)力急劇增大，車體承受此種載荷后，必須對車體進行檢查、修復(fù)和加固，保證使用安全。當(dāng)承受10級烈度地震載荷時，變形達2.34 mm，應(yīng)力91.108 MPa，已經(jīng)超過碳化木板的抗壓應(yīng)力值，故此時移動式環(huán)保廁所車體會被破壞。

圖10展示了9級烈度地震載荷工況下，車體的變形云圖，最大變形量為1.137 3 mm，發(fā)生于車體側(cè)面外敷碳化木板上。圖11所示為受地震載荷工況下，車體的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為36.321 MPa，發(fā)生在車橋軸與輪胎交接處。整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值小于碳化木板的抗壓應(yīng)力值和Q235鋼的屈服極限，符合強度及剛度要求。

圖10 受地震載荷工況下車體變形云圖

圖11 地震荷載工況下車體應(yīng)力云圖

2.3 風(fēng)載與地震載荷共同作用的復(fù)合工況對移動式環(huán)保公廁車強度安全性能影響

圖12展示了受風(fēng)載(12級)和地震載荷(9級烈度)共同作用的工況下，車體的變形云圖，最大變形量為1.546 mm，發(fā)生于車體迎風(fēng)面外敷碳化木板上。圖13所示為受風(fēng)載和地震載荷共同作用的工況下，車體的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值為60.194 MPa，發(fā)生在公廁車車橋支架彎折處。此時整體結(jié)構(gòu)變形很大，而且應(yīng)力值也非常大，已經(jīng)接近于碳化木板的抗壓應(yīng)力值，此時雖然理論上移動式環(huán)保公廁車車體仍是安全的，但是已經(jīng)達到使用的極限，需要進行完全的安全檢查及加固。分析結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣疠d荷與風(fēng)載同時作用于移動式環(huán)保公廁車上時，會產(chǎn)生比單一載荷作用大的多的變形和應(yīng)力值，從而更容易造成車體的損壞。

圖12 受風(fēng)載和地震載荷共同作用的工況下，車體變形云圖

圖13 受風(fēng)載和地震載荷共同作用的工況下，車體等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

利用有限元仿真的方法，分別分析了不同風(fēng)載和不同地震載荷作用下對移動式環(huán)保公廁車變形和應(yīng)力的影響，并研究了風(fēng)載與地震載荷同時作用時車體的變形狀況，對于移動式環(huán)保公廁車的使用環(huán)境的選擇、安全檢查的合理安排等具有顯著的指導(dǎo)意義。通過分析得到結(jié)論如下：

(1)承受風(fēng)載條件下，載荷10級及以下時，車體變形較小，此時不需要再另行專門檢查或加固。承受風(fēng)載超過12級以后，車體變形很大，需要在風(fēng)載過后對車體進行整體強度安全檢查和局部加固。

(2)承受地震載荷條件下，在9級烈度以下時，車體變形很小，不會對車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_到9度并再次增加時，車體變形嚴重，并且應(yīng)力急劇增大，必須對車體進行安全檢查、修復(fù)和加固。

(3)當(dāng)?shù)卣疠d荷與風(fēng)載同時作用于移動式環(huán)保公廁車上時，會產(chǎn)生比單一載荷作用大的多的變形和應(yīng)力值，更容易造成車體的損壞。