1 引 言
柴油機(jī)降噪隔聲罩在野外環(huán)境工作，長(zhǎng)期經(jīng)受風(fēng)雪載荷作用，在隔聲罩的安裝和維護(hù)過(guò)程中，還要承受人體活動(dòng)載荷作用，其性能的好壞直接影響著隔聲罩的工作情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)雪載荷進(jìn)行數(shù)值模擬已成為預(yù)測(cè)建筑物風(fēng)雪效應(yīng)的一種新的有效方法。
文獻(xiàn)針對(duì)建筑物的風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)建筑物數(shù)值模擬，得出了建筑物的風(fēng)場(chǎng)分布，以及風(fēng)載的分布規(guī)律。陸玲娟等研究火電廠干煤棚網(wǎng)架在風(fēng)載荷、雪載荷、溫度載荷等各種正常工況下的變形規(guī)律，總結(jié)出干煤棚網(wǎng)架在各種工況下的變形規(guī)律。田珺等采用最大熵法可靠度理論計(jì)算張拉膜結(jié)構(gòu)在雪荷載滿跨堆積和半跨堆積時(shí)各節(jié)點(diǎn)的最大可能變形，利用 AN-SYS 求出相應(yīng)工況的膜面應(yīng)力分布，并與現(xiàn)行確定性方法所求得的膜面應(yīng)力分布做了對(duì)比分析。本文采用 MSC． Nastran 軟件對(duì)柴油機(jī)降噪隔聲罩進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，綜合考慮了風(fēng)雪載荷和人體活動(dòng)載荷對(duì)隔聲罩的作用。
2 隔聲罩有限元分析
文中研究的隔聲罩框架由 100mm × 100mm ×2. 5mm 方鋼管，100mm × 50mm × 2. 5mm 矩形鋼管、100mm × 10mm 角剛組成。檔板包括內(nèi)外兩層，內(nèi)層為 3mm 厚的木工板，外層為 2mm 厚的瓦楞鋼板( 見(jiàn)圖 1) 。根據(jù)隔聲罩載荷情況，針對(duì)以下 8 種典型工況進(jìn)行有限元分析。
( 1) 活動(dòng)載荷及固定載荷;
( 2) 活動(dòng)載荷、固定載荷及正向( 兩面有門(mén))風(fēng)載;
( 3) 雪載、固定載荷及正向風(fēng)載;
( 4) 活動(dòng)載荷、固定載荷及側(cè)向( 兩面有窗)風(fēng)載;
( 5) 雪載、固定載荷及側(cè)向風(fēng)載;
( 6) 固定載荷及雪載;
( 7) 固定載荷及正向風(fēng)載;
( 8) 固定載荷及側(cè)向風(fēng)載。
2． 1 有限元模型簡(jiǎn)化
雖然隔聲罩結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)之間的焊接、鑲嵌等在有限元模型建立時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行一些合理的簡(jiǎn)化。
( 1) 忽略螺栓連接的接觸問(wèn)題;
( 2) 把隔聲罩的鋼板和框架之間的焊接處簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)連接，且假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的連接為剛性;
( 3) 把木工板與框架之間的鑲嵌問(wèn)題簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)連接，同時(shí)假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的連接為剛性的。根據(jù)以上原則建立了隔聲罩有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù) 64022 個(gè)，梁?jiǎn)卧獢?shù) 1780 個(gè)，瓦楞鋼板殼單元數(shù) 44576 個(gè)，木工板殼單元數(shù) 41520 個(gè)。
2． 2 定義單元類型、實(shí)常數(shù)及材料屬性
隔聲罩所用的主要材料是鋼管、鋼板和木工板，鋼的彈性模量 E = 210GPa，泊松比 μ = 0. 3，許用應(yīng)力［σ］= 163MPa。木工板彈性模量 E = 210GPa，泊松比 μ = 0. 3，許用應(yīng)力［σ］163MPa。隔聲罩框架為三維桿件結(jié)構(gòu)，選用三維彈性梁?jiǎn)卧?BEAM 能夠較好地反映隔聲罩的實(shí)際受力情況，然后根據(jù)隔聲罩所用的管材的材料和尺寸設(shè)置各桿件的幾何特性和材料屬性。
2． 3 載荷計(jì)算及邊界條件
從隔聲罩的實(shí)際工況可知，風(fēng)載、雪載、人體活動(dòng)載荷是主要的載荷形式。考慮了固定載荷、風(fēng)載、雪載、人體活動(dòng)載荷的獨(dú)立作用及聯(lián)合作用。
2． 3． 1 雪載
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012) 的規(guī)定，屋面結(jié)構(gòu)的雪載荷 Sk按下式計(jì)算:
式中，S0為基本雪壓; μr為屋面積雪分布系數(shù)。在風(fēng)、屋面散熱和太陽(yáng)輻射等諸多因素的影響下，屋面的積雪呈非均勻分布。由于隔聲罩頂部為平面結(jié)構(gòu)，雪載簡(jiǎn)化為隔聲罩上表面瓦楞鋼板全部施加 0. 3kg /m2壓力。
2． 3． 2 風(fēng)載
文獻(xiàn)詳細(xì)描述了風(fēng)壓與平均風(fēng)速極大值的關(guān)系。本文根據(jù)隔聲罩的特點(diǎn)，以最大風(fēng)速所產(chǎn)生
的壓力( 0. 5kg /m2) 施加在隔聲罩的正向或側(cè)向。
2．3． 3 人體活動(dòng)載荷
由于安裝和維護(hù)的需要，必須考慮人體活動(dòng)載荷。人體活動(dòng)載荷按照兩個(gè) 100kg 重量的人站在隔聲罩頂部的最薄弱部位考慮，以人體雙腳的面積施加 0. 5kg /m2壓力。
3．3． 4 邊界條件
接觸地面的 4 條方鋼管實(shí)行全約束。
3 計(jì)算結(jié)果分析
表 1 給出了隔聲罩分別在 8 種工況下的最大等效應(yīng)力、最大位移以及梁?jiǎn)卧畲髲澢鷳?yīng)力、最大等效應(yīng)力和最大位移。圖 2-圖 6 給出了工況 2 的計(jì)算結(jié)果云圖。
4 分析與結(jié)論
由圖 2 可知，在活動(dòng)載荷、固定載荷及正向風(fēng)載作用下，瓦楞鋼板最大位移 2. 36mm，最大變形位置為瓦楞鋼板上表面中部。由圖 3 可知，在相同載荷作用下，瓦楞鋼板最大等效應(yīng)力 15. 7MPa，位置為瓦楞鋼板上表面兩人體雙腳部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的許用應(yīng)力( 163MPa) 。由圖 4 可知，在相同載荷作用下，木工板最大位移 5. 36mm，最大變形位置為門(mén)的中間部位。由圖 5 可知，在相同載荷作用下，木工板最大等效應(yīng)力 9. 7MPa，位置為瓦楞鋼板上表面兩人體雙腳部，小于木工板的許用應(yīng)力( 163MPa) 。由圖 6 可知，在 相 同 載荷 作 用 下，梁 單 元 最 大 彎 曲 應(yīng) 力49. 67MPa，位置為門(mén)框的矩形梁中部，小于鋼的許用應(yīng)力( 163MPa) 。
從 8 種載荷工況的計(jì)算結(jié)果可以看出，最大位移為 6. 56mm，發(fā) 生 在 工 況 8，最 大 等 效 應(yīng) 力 為15. 7MPa，發(fā) 生 在 工 況 2，梁 單 元 最 大 位 移 為3. 91mm，發(fā)生在工況 6，梁?jiǎn)卧畲蟮刃?yīng)力8.42MPa，發(fā)生在工況 2，梁?jiǎn)卧畲髲澢鷳?yīng)力為51. 4MPa，發(fā)生在工況 7，說(shuō)明結(jié)構(gòu)承載能力是足夠的。
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