基于Creo Simulate的扶梯樓層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

柯治成

0 前言

2015年7月26日，荊州市某商場(chǎng)內(nèi)發(fā)生一起扶梯事故，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)梳齒支撐板與樓層板搭接失效，導(dǎo)致樓層板受力翻轉(zhuǎn)，造成一名乘客從驅(qū)動(dòng)站上方掉進(jìn)梯級(jí)與防護(hù)板之間，卷入運(yùn)行的梯級(jí)中死亡[1-2]。經(jīng)初步分析，該意外發(fā)生的主要原因是樓層板（蓋板）翻轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品安裝成型后三塊蓋板間水平活動(dòng)范圍過(guò)大，且樓層板設(shè)計(jì)成凸形易翻轉(zhuǎn)[3]。

樓層板位于自動(dòng)扶梯的上、下平層段，通過(guò)中間地板支架、地板橫梁與桁架連接，固定在樓層板邊框內(nèi)，是扶梯乘客的出入口，主要由中間地板（與梳齒支撐板搭接）、第一塊大地板（靠近中間地板）、第二塊大地板（遠(yuǎn)離中間地板）、第三塊大地板（由桁架延伸情況決定是否選用）組成。如果樓層板的強(qiáng)度不足或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理則很容易發(fā)生前面提到的扶梯事故。按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析方法，難以得到精確的應(yīng)力分布和變形情況。隨著CAD/CAE軟件的廣泛應(yīng)用和有限元技術(shù)的飛躍發(fā)展，已普遍應(yīng)用該方法來(lái)求解復(fù)雜的工程問(wèn)題，并取得了很好的效果。

Creo Simulate是Creo軟件中的一個(gè)力學(xué)分析模塊，在設(shè)計(jì)過(guò)程中能無(wú)縫集成的模擬實(shí)際工作環(huán)境，為模型施加約束、載荷等參數(shù)，采用幾何單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形等特性，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和模態(tài)分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找最佳參數(shù)。缺省時(shí)，Creo Simulate以P方法對(duì)模型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，它采用適應(yīng)性P-method技術(shù)，在不改變單元網(wǎng)格劃分的情況下，靠增加單元內(nèi)插值多項(xiàng)式的階數(shù)來(lái)達(dá)到設(shè)定的收斂精度。理論上，插值多項(xiàng)式的階數(shù)可以很高，但在實(shí)際工作中，往往將多項(xiàng)式的最高階數(shù)控制在9以?xún)?nèi)，就能非常精確地?cái)M合大應(yīng)力梯度[4-5]。

1 Creo Simulate結(jié)構(gòu)分析流程

（1）材料屬性、約束條件的定義。

（2）載荷及最大允許變形量的確定。

TSGT7007-2016《電梯型式試驗(yàn)規(guī)則》J6.18對(duì)樓層板強(qiáng)度要求如下：

“樓層板能承受下列要求確定的載荷的較大值：

1）樓層板踏面面積（m2）乘以6 000 N/m2;

2）每塊樓層板2 200 N。

試驗(yàn)時(shí)，在自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的上下部樓層板上，分別放置均勻分布的載荷，在樓層板踏面測(cè)得的變形應(yīng)不大于4 mm，且永久變形不大于 1 mm[6]?！?/p>

（3）網(wǎng)格劃分。

（4）定義分析任務(wù)，計(jì)算結(jié)果。

（5）靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2 樓層板結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 分析模型選擇

圖1 中間地板初始結(jié)構(gòu)模型

文中取中間地板為研究對(duì)象，基座選用鋁合金型材，面板選用不銹鋼板，采用防滑設(shè)計(jì)，上表面沖壓有規(guī)則排布的條形花紋，仿真時(shí)不考慮花紋和兩側(cè)安裝孔。鑒于獨(dú)立式活動(dòng)蓋板易翻轉(zhuǎn)的缺點(diǎn)，本方案采用嵌入式結(jié)構(gòu)，保證每塊樓層板之間能有效關(guān)聯(lián)。以梯級(jí)寬度為1 000 mm的梯型為參考，中間地板的外形尺寸為397 mm×1 538 mm（主要由兩塊寬1 538 mm，長(zhǎng)192 mm的鋁型材和一塊寬1 538 mm，長(zhǎng)397 mm的不銹鋼板組成），要求在6 000 N/m2的均布載荷作用下變形量不超過(guò)4 mm且永久變形不大于1 mm，同時(shí)滿(mǎn)足材料屈服強(qiáng)度和重量最輕的要求。初始模型如圖1所示。

2.2 材料定義

由于該樓層板配室外扶梯，從環(huán)境條件、材料的力學(xué)性能及成本考慮，基座選用6031鋁合金，其彈性模量為6.9×104MPa，泊松比為0.33，密度為2.7×103kg/m3，熱膨脹系數(shù)為2.36×10-5(1/℃)，抗拉強(qiáng)度為 210 MPa，屈服強(qiáng)度為170 MPa。面板選用SUS304不銹鋼，其彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.25，密度為7.93×103kg/m3，熱膨脹系數(shù)為1.73×10-5(1/℃)，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，屈服強(qiáng)度為205 MPa。

2.3 添加載荷與約束

先在中間地板上表面施加6 000 N/m2的均布載荷，再根據(jù)中間地板在扶梯中的安裝對(duì)其1～4固定面分別進(jìn)行各方向自由度的約束。實(shí)際裝配中，由于1和2處設(shè)有安裝孔與中間地板支架上的焊接螺柱固定于樓層板邊框內(nèi)，所以約束xyz方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，3和4分別與第一塊大地板和梳齒支撐板搭接，所以只約束x方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 載荷及約束圖

2.4 網(wǎng)格劃分

Creo提供了模型網(wǎng)格自動(dòng)生成(Auto GEM)的功能，分別設(shè)置鋁型材和面板的最大元素尺寸為20 mm、25 mm，完成后創(chuàng)建169 260個(gè)單元和46 923個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.5 結(jié)果分析

后處理中查看靜態(tài)變形和應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 中間地板優(yōu)化前應(yīng)力、位移云圖

分析結(jié)果顯示，中間地板的最大應(yīng)力為77.1 MPa＜［170 MPa，205 MPa］在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi),最大變形發(fā)生在中間區(qū)域，最大垂直位移（Z方向）為1.54 mm，滿(mǎn)足最大變形量小于4 mm的要求。

3 靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

3.1 局部敏感度分析

從上述仿真分析的結(jié)果來(lái)看，變形量和材料極限仍有較大的設(shè)計(jì)余量，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化?，F(xiàn)從樓層板設(shè)計(jì)的重要參數(shù)（如材料選用，面板、鋁型材及加強(qiáng)筋厚度、基座高度、加強(qiáng)筋間距和數(shù)量等）開(kāi)展研究。為找出這些參數(shù)中那些對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)影響最大，那些影響最小，運(yùn)用“局部敏感度”來(lái)分析。

表1是有關(guān)的參數(shù)定義。忽略材料變化，定義面板板厚THK1，鋁型材及加強(qiáng)筋厚度THK2，基座高度H，加強(qiáng)筋間距L1、L2作為考察的設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)圖4）。

表1 參數(shù)定義

圖4 參數(shù)定義

在Creo Simulate主頁(yè)運(yùn)行框中打開(kāi)“分析和研究”對(duì)話(huà)框，在文件下拉列表中選擇“新建敏感度設(shè)計(jì)研究”，彈出“敏感度研究定義”對(duì)話(huà)框，首先，在類(lèi)型中選擇“局部敏感度”，然后，在分析欄選中靜態(tài)分析，最后，在變量欄中通過(guò)“從模型中選取尺寸”圖標(biāo)在模型中選取上述定義的5個(gè)尺寸逐個(gè)分析。

計(jì)算完成后查看有限元分析結(jié)果，得出相關(guān)曲線(xiàn)圖，總結(jié)可知H、THK1、THK2對(duì)中間地板質(zhì)量和變形量的影響趨勢(shì)基本一致，厚度、高度與質(zhì)量正相關(guān)，厚度、高度越大質(zhì)量越高，厚度、高度與變形量負(fù)相關(guān)，厚度、高度越大變形越小。L1、L2對(duì)鋁型材基座質(zhì)量和變形的影響與基本一致，間距變化對(duì)鋁型材總質(zhì)量無(wú)影響，合理設(shè)置L1、L2間距和數(shù)量可以減少變形量。故此，抽取H、L2和厚度參數(shù)來(lái)重點(diǎn)研究。運(yùn)行“全局敏感度”和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)研究任務(wù)，彈出“優(yōu)化研究定義”對(duì)話(huà)框，首先，在類(lèi)型中選擇“優(yōu)化”，其次，在目標(biāo)下拉列表中選擇“最小化”，定義測(cè)量為total_mass（總質(zhì)量）和max_disp_z（z向最大位移），再給定設(shè)計(jì)極限值，最后在“變量欄”通過(guò)“從模型中選擇尺寸”分別選取模型中H、L2、THK2、THK1對(duì)應(yīng)的尺寸。優(yōu)化后參數(shù)值（表1），截面（圖5）。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鋁型材截面

按上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出兩種不同用途的鋁型材截面（圖6），共同組成一套完整的樓層板。

圖6 幾種型材截面

以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)后的中間地板為模型，方法與優(yōu)化前一致，得出靜態(tài)應(yīng)力、位移云圖（見(jiàn)圖7）。其最大應(yīng)力為128.81 MPa＜［205 MPa，170 MPa］，最大垂直位移（Z方向）為2.23 mm＜4 mm，均在允許的范圍內(nèi)。優(yōu)化后中間地板的總質(zhì)量從18.37 kg降低為13.79 kg，減少4.58 kg，材料利用更加合理，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，同時(shí)節(jié)約了成本。

圖7 優(yōu)化后應(yīng)力、位移云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試時(shí)將梳齒板、梳齒支撐板一同組裝，在扶梯平層地板測(cè)試架上安裝測(cè)試（不分析梳齒支撐板）。

測(cè)量點(diǎn)選取按以下規(guī)則：

（1）在中間地板和大地板的中心線(xiàn)上選??；

（2）在中間地板后部和大地板上有中間橫梁支撐的部位，還要在一側(cè)1/4位置選取若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)；

（3）線(xiàn)1和線(xiàn)2上選擇位于地板加強(qiáng)筋上的點(diǎn)；

（4）中間地板最前端測(cè)試點(diǎn)為1號(hào)點(diǎn)，然后往大地板方向編號(hào)以此增加。將線(xiàn)1上的點(diǎn)編號(hào)完畢后再編線(xiàn)2上的點(diǎn)。

按6 000 N/m2加載載荷，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖8所示。

圖8 樓層板變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

連續(xù)加載、卸載三次，記錄前、后測(cè)試數(shù)據(jù)，分別求取彈性變形量，然后對(duì)三次彈性變形求取平均值，數(shù)據(jù)處理后的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖9）。

圖9 樓層板各測(cè)量點(diǎn)彈性變形變化圖

中間地板對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)為1～3，變形結(jié)果分別為2.09 mm，2.32 mm，2.31 mm與仿真結(jié)果2.23 mm基本一致，永久變形約為0.2 mm，在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文利用Creo Simulate對(duì)扶梯樓層板的中間地板進(jìn)行了有限元分析，得到了精確的應(yīng)力分布和最大垂直位移，驗(yàn)證了各部件的強(qiáng)度和變形均滿(mǎn)足要求。在此基礎(chǔ)上對(duì)鋁型材截面和不銹鋼面板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后總質(zhì)量減少4.58 kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)樓層板而言成本節(jié)約效果明顯。最后，對(duì)樓層板進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)選取、記錄初始讀數(shù)、三次加載和卸載讀數(shù)、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程，驗(yàn)證了仿真的正確性，表明運(yùn)用Creo Simulate對(duì)設(shè)計(jì)者改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)成本具有重要的參考作用。

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