多工況電梯背包架結(jié)構(gòu)有限元建模與分析

邱文煥

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院莆田分院，福建 莆田 351100）

1 引言

背包式電梯因其兼具井道利用率高和適用于直角開門和三開門設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在建筑行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]，特別適用于上個(gè)世紀(jì)90年代后期建設(shè)的小高層及其鄉(xiāng)村小別墅等沒有預(yù)留井道的建筑，背包式電梯結(jié)構(gòu)主要由曳引機(jī)組合、對(duì)重導(dǎo)軌、轎廂導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架等部件組成。其中，轎廂裝配由背包架、轎底組合、轎壁布置、轎頂組合、門機(jī)等結(jié)構(gòu)組成。而背包架作為轎廂裝配的主要結(jié)構(gòu)件，是電梯工作過(guò)程中的主要承載部件之一，其強(qiáng)度是否滿足工程要求決定了電梯能否可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

由于背包架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法往往需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致工作量大且計(jì)算結(jié)果誤差較大[2]。而ANSYS有限元分析軟件不僅可以進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，而且能夠簡(jiǎn)化模型的建模復(fù)雜度，從而在提高計(jì)算精度的同時(shí)，提高分析計(jì)算效率。此外，傳統(tǒng)計(jì)算方法主要考慮額定均布載荷下的轎廂裝配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而忽視偏載對(duì)轎廂裝配結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[3]。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，轎廂裝配往往在偏載條件下工作。因此，有必要探討基于多工況的背包架結(jié)構(gòu)有限元分析策略，研究ANSYS有限元分析環(huán)境下背包架結(jié)構(gòu)的有限元建模與應(yīng)力響應(yīng)求解方法。

2 背包架結(jié)構(gòu)有限元建模

背包架結(jié)構(gòu)有限元建模過(guò)程主要包括單元及材料屬性指定、有限元網(wǎng)格模型建立、邊界加載等過(guò)程。

2.1 單元及材料屬性指定

背包架選用Q235為材料，其抗拉強(qiáng)度為240MPa，楊氏模量為2.12x105MPa，泊松比為0.3，密度為7.86x10-6Kg/mm3，材料截面方向?qū)傩詾楦飨蛲浴?/p>

為提高背包架的結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力響應(yīng)分析計(jì)算精度，單元類型選用SOLID187。SOLID187單元為三維10節(jié)點(diǎn)四面體固體結(jié)構(gòu)單元，功能強(qiáng)大，精度高，支持塑性、蠕變、大變形等多種有限元分析場(chǎng)合。

2.2 有限元網(wǎng)格模型建立

背包架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在ANSYS直接建立實(shí)體模型或網(wǎng)格模型存在建模難度大、效率低等不足。利用Pro/Engineer強(qiáng)大的實(shí)體建模能力及其與ANSYS之間的無(wú)縫數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)背包架實(shí)體建模，進(jìn)而在ANSYS環(huán)境下對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到背包架的網(wǎng)格模型，能夠有效降低建模難度，提高建模效率，充分發(fā)揮ANSYS強(qiáng)大的有限元分析計(jì)算能力。

在有限元網(wǎng)格劃分過(guò)程中，網(wǎng)格的疏密程度對(duì)有限元分析結(jié)果影響甚大。有限元網(wǎng)格越密，則有限元計(jì)算結(jié)果越精確，但同時(shí)有限元模型也越復(fù)雜，有限元求解所需硬件設(shè)備越高，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。然而，為保證有限元計(jì)算結(jié)果的有效性，網(wǎng)格也不能過(guò)疏。為降低模型求解復(fù)雜度，同時(shí)保證計(jì)算精度，采用如下方法控制網(wǎng)格疏密度：

（1）分別采用大小為SIZE和SIZE/2控制模型網(wǎng)格劃分，并分別得到最大應(yīng)力MASSPRES_A和MASSPRES_B。

（2） 若 (MASSPRES_A-MASSPRES_B)/MASSPRES_A滿足要求，則以MASSPRES_B對(duì)應(yīng)的結(jié)果若為分析結(jié)果，否則令SIZE=SIZE/2，并重復(fù)以上步驟。

根據(jù)上述分析步驟，對(duì)某額定載重量為320Kg的家用電梯的背包架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖1所示網(wǎng)格模型。

圖1 背包架網(wǎng)格模型

2.3 邊界加載

有限元建模過(guò)程中，邊界加載主要包括位移約束加載和外載荷加載。

（1）位移約束

背包架通過(guò)導(dǎo)靴安裝在轎廂導(dǎo)軌上，曳引機(jī)通過(guò)曳引繩帶動(dòng)繩輪組合從而帶動(dòng)背包架實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。背包架不傾斜的情況下，導(dǎo)靴與轎廂導(dǎo)軌并不接觸。但當(dāng)背包架傾斜時(shí)，導(dǎo)靴與轎廂導(dǎo)軌便相接觸。因此，在圖1所示坐標(biāo)系下，在施加位移約束時(shí)，4處導(dǎo)靴與轎廂導(dǎo)軌接觸面上的節(jié)點(diǎn)施加X、Y兩個(gè)方向的零位移約束，繩輪與曳引繩接觸面上的節(jié)點(diǎn)施加Z方向上的零位移約束。

（2）外載荷約束

對(duì)于背包架而言，外載荷包含三部分：背包架自身重力載荷、額定載荷FC和轎廂裝配扣除背包架后的自重FG。傳統(tǒng)的計(jì)算只考慮均載條件下的強(qiáng)度，忽略偏載條件下的強(qiáng)度。而電梯實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際載荷往往是偏載的。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)計(jì)算方法的不足，分別在均載和偏載兩種工況下計(jì)算背包架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。其中，均載是指FC和FG均布與背包架下梁上表面全范圍內(nèi)；偏載是指FC均布與背包架下梁上表面全范圍內(nèi)，而FG只均布與與背包架下梁上表面遠(yuǎn)離背包立梁的3/5面積范圍內(nèi)。

由上述分析可知，兩個(gè)工況下邊界條件唯一不同的是背包架下梁上表面各節(jié)點(diǎn)所施加力FZ的大小不同。如圖2所示，為背包架施加邊界載荷后的結(jié)果圖。邊界加載完成后，便可在ANSYS環(huán)境下對(duì)背包架結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算求解。

圖2 背包架邊界加載結(jié)果

3 背包架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

現(xiàn)有某額定載荷為630Kg的家用別墅電梯，其中FG=630Kg，背包架立梁長(zhǎng)度為2730mm，下梁長(zhǎng)度為1400mm。根據(jù)以上有限元建模策略，分析計(jì)算得到均載和偏載兩種工況下結(jié)構(gòu)的綜合位移變形圖及綜合應(yīng)力分布圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 載荷均布工況下背包架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖4 載荷不均布工況下背包架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該電梯背包架的許用安全系數(shù)為[n]=2.40，許用撓度[ω]=l/750。其中l(wèi)為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，單位為mm。綜合上述分析結(jié)果，可得該背包架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表1所示。

表1 背包架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知，在均載工況和偏載工況下，背包架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。但在偏載工況下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值提高了24.37%，最大變形位移增大了25.59%。因此，偏載工況更能體現(xiàn)背包架結(jié)構(gòu)的承載能力。

4 結(jié)論

提出了多工況背包架結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力有限元分析策略，深入研究了背包架結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分方法，避免了網(wǎng)格劃分的盲目性，在保證計(jì)算效率的同時(shí)提高了網(wǎng)格質(zhì)量。結(jié)合轎廂裝配的工作條件，深入探討了背包架結(jié)構(gòu)分析時(shí)有限元模型中施加了位移約束和偏載與均載工況下背包架的外載荷的施加方式。進(jìn)而結(jié)合某額定載荷為320Kg的電梯背包架的結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證了多工況背包架結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力有限元分析策略的可行性、必要性和有效性，解決了傳統(tǒng)方法進(jìn)行背包架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)存在的計(jì)算效率低、計(jì)算工況單一且精度差等問(wèn)題。

[1]劉大柱，蔡旭青．淺談別墅電梯的轎架改進(jìn)．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013，16：25-26．

[2]趙袆．客梯轎廂架強(qiáng)度計(jì)算．科技信息（科學(xué)?教研），2008，12：264-265．

[3]傅海明．電梯轎廂的ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)．機(jī)電信息，2012，6：152-153．