基于APDL的船用電梯井架參數(shù)化建模與仿真

韋 磊，王 駿

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

船用電梯由于裝備位置的特殊性，不僅給安裝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，而且給日常的維護(hù)、檢修等帶來(lái)不便[1-2]。本文充分考慮安裝環(huán)境因素，設(shè)計(jì)出一種用于船用電梯的井架布置方式，方便在狹小的船體井道內(nèi)布置電梯。該船用電梯采用液壓缸驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩牽引提升轎廂實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備的垂直運(yùn)輸，具有很高的空間利用率和安全性。固定在船體井道內(nèi)的井架承載轎廂的重量，其安全性至關(guān)重要，因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行校核。由于井架內(nèi)部型材具有不規(guī)則的橫截面，且井架內(nèi)部空間布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)的理論計(jì)算難以對(duì)井架進(jìn)行準(zhǔn)確的力學(xué)分析，本文通過(guò)有限元軟件ANSYS進(jìn)行井架的參數(shù)化建模與分析[3-4]，提高了計(jì)算效率，同時(shí)能夠方便對(duì)船用電梯井架進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 船用電梯井架受力分析

1.1 船用電梯結(jié)構(gòu)布置

船用電梯縱向布置圖如圖1所示，主要包括縱梁、橫擋、轎廂、液壓缸和連接件。其中縱梁豎直平行布置在船體井道內(nèi)，通過(guò)若干個(gè)螺釘與船體固定。橫擋均垂直布置在2根縱梁之間，通過(guò)連接件及螺釘緊固件與縱梁固定，連接件多為L(zhǎng)形連接板。液壓缸固定在縱梁的底部位置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩從而間接地帶動(dòng)轎廂進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。船用電梯橫向布置圖如圖2所示，圖1中的縱梁和橫擋共同組成圖2所示的固定架，固定架上通過(guò)支梁固接有2根豎直方向的T形導(dǎo)軌，電梯固定架內(nèi)側(cè)為轎廂，轎廂通過(guò)T形導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向。

1-縱梁 2-連接件 3-橫擋 4-轎廂 5-液壓缸圖1 船用電梯縱向布置圖

該船用電梯的布置方式優(yōu)勢(shì)明顯，主要包括如下方面：通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的船用電梯不需要在固定架頂部布設(shè)專門的機(jī)房，節(jié)約空間和成本；不需要設(shè)置對(duì)重裝置，節(jié)約了空間，提高了船體的利用率；液壓系統(tǒng)控制的轎廂動(dòng)力平穩(wěn)，相對(duì)于一般的調(diào)速電梯更具舒適性，能夠滿足船體本身存在的縱橫搖前提下的運(yùn)行要求；此外，載重量大、安全性高、噪聲小也是其主要優(yōu)勢(shì)。

船用電梯的固定架、支梁和T形導(dǎo)軌是船用電梯的主要承載部件，需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算其在滿載極限條件下的受力情況。為敘述方便，將固定架、支梁、T形導(dǎo)軌組成的結(jié)構(gòu)稱為井架。

1.2 船用電梯井架極限載荷計(jì)算

如圖2所示建立平面直角坐標(biāo)系，其中x軸為2根T形導(dǎo)軌的對(duì)稱線，y軸為2根T形導(dǎo)軌的中心線。井架所受的外載荷是通過(guò)轎廂上的導(dǎo)靴傳遞給T形導(dǎo)軌的，即井架所受的外載荷點(diǎn)為轎廂上4個(gè)導(dǎo)靴與T形導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)。假設(shè)轎廂的幾何中心點(diǎn)、重心為同一點(diǎn)C，轎廂的懸掛點(diǎn)為S。定義各參數(shù)的表達(dá)含義如下：P代表轎廂質(zhì)量，M代表轎廂額定載重量，Dx、Dy分別代表轎廂的凈深和凈寬，h代表轎廂上下導(dǎo)靴之間的豎直距離，l代表導(dǎo)軌支架之間的水平距離，d代表轎廂懸掛點(diǎn)到T形導(dǎo)軌的垂直距離，k1代表轎廂運(yùn)行時(shí)的沖擊系數(shù)。根據(jù)GB21240-2007可知，轎廂內(nèi)額定載荷M在最不利的情況下均勻布在3/4的轎廂面積上，因此轎廂載荷沿x軸和y軸方向有2種極限載荷分布，分別采用2種極限載荷分布下的重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)定義為極限載荷分布重心點(diǎn)Q。設(shè)點(diǎn)C、點(diǎn)S、點(diǎn)Q的坐標(biāo)分別為C(Xc，Yc)，S(Xs，Ys)，Q(Xm，Ym)。

圖2 船用電梯橫向布置圖

圖2中，1為船體，2為固定架，3為轎廂，4為支梁，5為T形導(dǎo)軌。

轎廂通過(guò)4個(gè)導(dǎo)靴提供支撐，在T形導(dǎo)軌上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。2根T形導(dǎo)軌共4處受到轎廂上導(dǎo)靴的外載荷，T形導(dǎo)軌的受力分析圖如圖3所示。其中圖3(a)為轎廂上側(cè)2個(gè)導(dǎo)靴與T形導(dǎo)軌接觸位置T形導(dǎo)軌的受力分析圖，圖3(b)為轎廂下側(cè)2個(gè)導(dǎo)靴與T形導(dǎo)軌接觸位置T形導(dǎo)軌的受力分析圖。

圖3 T形導(dǎo)軌受力分析圖

轎廂運(yùn)行時(shí)，T形導(dǎo)軌轎廂導(dǎo)靴接觸位置所受x方向、y方向的作用力大小分別為：

(1)

(2)

代入電梯系統(tǒng)參數(shù)，其中P=400 kg，M=400 kg，h=2 515 mm，k1=1.2，點(diǎn)C、點(diǎn)S、點(diǎn)Q的坐標(biāo)分別為C(475，0)，S(0，0)，Q(593.75，150)，轎廂在極限載荷分布下T形導(dǎo)軌的受力為Fx=999.5 N，F(xiàn)y=280.6 N。井架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位移變形能否滿足要求需要通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.3 船用電梯橫擋滑移安全系數(shù)校核

當(dāng)橫擋承受石材重量時(shí)，橫擋可能會(huì)往下滑移，產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此需要進(jìn)行校核，保證安全性。對(duì)于普通螺栓連接，應(yīng)保證連接預(yù)緊后，結(jié)合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。假設(shè)各螺栓所需的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)目為z，縱向總載荷為F，接合面摩擦系數(shù)為f，接合面數(shù)為i，防滑系數(shù)為K，則需滿足條件為：

fF0zi≥KF

(3)

由于橫擋兩端分別通過(guò)連接件與立柱連接，兩端連接在立柱上的螺栓數(shù)目均為2，此處取z=2，石材的厚度為10 mm，密度為2 600 kg/m3，橫擋所受的力(考慮上端石材體積最大的情況)最大為627.4 N，每端承載313.7 N，此處取F=313.7 N，連接板與立柱通過(guò)螺栓連接預(yù)緊，結(jié)合面為連接板與立柱的接觸面，此處取i=1，結(jié)合面摩擦系數(shù)取f=0.17，防滑系數(shù)取K=1.3。由此，橫擋不發(fā)生下滑所需要的預(yù)緊力F0≥1 199.4 N。

普通安裝工人以30 kg的力采用呆板手?jǐn)Q緊螺栓，力臂取為15d1，其中d1為螺栓的直徑，取為0.01 m，則力矩為：T=44.145 Nm。擰緊力矩系數(shù)(無(wú)量綱)K1取為0.2，則普通安裝工人可以提供的擰緊力為：F1=T/(K1d1)=22 072.5 N。安全系數(shù)為K2=F1/F0=18.4≥1.25。所以在承受石材重量的情形下，橫擋不會(huì)向下滑移，產(chǎn)生危險(xiǎn)。

2 船用電梯井架ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)仿真

2.1 APDL有限元模型建立

船用電梯井架的導(dǎo)軌需要承載轎廂的側(cè)向力，橫擋需要承載石材的重力。因此需要校核鋁型材框架的位移和應(yīng)力是否滿足要求，下面在轎廂承載極限載荷工況下對(duì)電梯井架進(jìn)行校核。

通過(guò)自下而上的建模方法建立井架的有限元模型。定義井架的參數(shù)值，便于對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修改。使用命令K定義井架上的關(guān)鍵點(diǎn)，使用命令LSTR定義井架上的直線，井架上需要定義的直線較多，通過(guò)使用*do和*enddo命令執(zhí)行循環(huán)，以減少輸入的命令行數(shù)。井架內(nèi)各零部件均選用Beam188單元，該單元為二節(jié)點(diǎn)單元。使用MP命令定義線性材料屬性，包括彈性模量、泊松比和密度，其中T形導(dǎo)軌為鋼結(jié)構(gòu)，其余井架部分均為鋁合金結(jié)構(gòu)。

以上通過(guò)創(chuàng)建井架關(guān)鍵點(diǎn)生成直線的方式對(duì)梁長(zhǎng)度方向進(jìn)行了定義，下面需要?jiǎng)?chuàng)建梁橫截面。井架內(nèi)部一共包含4種梁橫截面形式，包括T形導(dǎo)軌的T形橫截面、支梁的U形橫截面和立柱、橫檔的不規(guī)則橫截面。其中T形橫截面、U形橫截面均在ANSYS軟件11種常用的橫截面庫(kù)中，通過(guò)使用SECTYPE命令可以直接定義這2種梁橫截面并關(guān)聯(lián)截面的ID號(hào)，再使用SECDATA命令可以定義截面的幾何尺寸，生成面網(wǎng)格模型。立柱、橫檔的梁截面需要自定義，在ANSYS軟件中創(chuàng)建截面的2D模型并完成面網(wǎng)格劃分，使用SECWRITE命令保存到ANSYS軟件的工作目錄下，這2種截面即可使用SECREAD命令調(diào)用。使用SECOFFSET命令可對(duì)截面位置進(jìn)行橫向偏移，4種橫截面生成的面網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 橫截面面網(wǎng)格模型

使用LATT命令將單元屬性、材料屬性、橫截面的網(wǎng)格模型與未劃分網(wǎng)格的井架線實(shí)體相關(guān)聯(lián)，而后使用LESIZE和LMESH對(duì)井架各梁?jiǎn)卧S向的線實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成井架的體網(wǎng)格模型，即有限元模型，有限元模型建模過(guò)程如圖5所示。

圖5 有限元模型建模過(guò)程

2.2 有限元模型載荷施加與求解

船用電梯井架底部橫梁、頂部橫梁、立柱分別與船體之間通過(guò)螺釘固定，使用ESEL命令選擇需要施加約束的單元，使用D命令約束單元的自由度。井架底部橫梁采用完全約束，頂部橫梁的約束點(diǎn)共有4處，坐標(biāo)分別為A1(a/2，b/2，h1)、A2(a/2，-b/2，h1)、A3(-a/2，b/2，h1)、A4(-a/2，-b/2，h1)，井架立柱的約束點(diǎn)共有4處，坐標(biāo)分別為A5(-a/2，b/2，1 265)、A6(a/2，b/2，2 525)，A7(a/2，-b/2，3 780)，A8(-a/2，-b/2，3 780)。其中a=1 640 mm，b=1 600 mm，分別為井架的長(zhǎng)和寬，h1= 7 105 mm，為井架的總高度。

井架所受外力包括轎廂作用在T形導(dǎo)軌上的側(cè)向力和裝飾石材自重作用在橫梁上的壓力，使用ESEL命令選擇需要施加載荷的單元，使用SFBEAM命令對(duì)井架上的梁?jiǎn)卧┘虞d荷。載荷施加完畢，使用SOLVE命令求解，使用/POST1命令進(jìn)入通用后處理。

使用NSEL命令選擇頂部橫梁和立柱的約束點(diǎn)，使用PRRSOL命令可以得到節(jié)點(diǎn)處的支反力，即螺釘固定端所需要的力。約束點(diǎn)A1約束反力為Fx=49.215 N,Fy=623.84 N,Fz=615.43 N，合力為877.7 N。約束點(diǎn)A2約束反力為Fx=74.716 N,Fy=147.14 N,Fz=366.61 N，合力為402.04 N。約束點(diǎn)A3約束反力為Fx=123.72 N,Fy=589.01 N,Fz=805.02 N，合力為1 005.14 N。約束點(diǎn)A4約束反力為Fx=-72.495 N,Fy=128.26 N,Fz=368.52 N，合力為396.88 N。約束點(diǎn)A5約束反力為Fx=0.663 N,Fy=-35.685 N,Fz=855.41 N，合力為856.15 N。約束點(diǎn)A6約束反力為Fx=-167.31 N,Fy=-111.55 N,Fz=827.67 N，合力為851.75 N。約束點(diǎn)A7約束反力為Fx=12.319 N,Fy=-705.62 N,Fz=993.45 N，合力為1 087.7 N。約束點(diǎn)A8約束反力為Fx=-39.09 N,Fy=-682.49 N,Fz=993.45 N，合力為1 205.9 N。因此鋁型材框架固定點(diǎn)最大受力處為框架整個(gè)高度的中間部位，最大力為1 205.9 N，如考慮最小1.25的安全系數(shù)，建議固定點(diǎn)膨脹螺栓處的受力需大于1 500 N。如適當(dāng)增加框架的固定點(diǎn)，則以上受力會(huì)相應(yīng)減小。井架的位移和應(yīng)力最大點(diǎn)均在橫檔上，為顯示方便，僅顯示橫擋和立柱的位移和應(yīng)力云圖如圖6所示，最大位移達(dá)到1.497 mm，最大應(yīng)力達(dá)到18.5 MPa，因此井架能夠滿足承載要求。

圖6 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出了一種空間利用率高的用于船用電梯的井架布置方式，得到井架所受的極限載荷，對(duì)橫擋的滑移安全系數(shù)進(jìn)行校核，保證井架型材連接的安全性。 建立了基于APDL的井架參數(shù)化有限元模型，得到井架側(cè)面的固定螺釘所需的約束力以及井架的最大位移和應(yīng)力，為井架的進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論參考。