左亞軍（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州511430）

基于ANSYS的電梯轎架強(qiáng)度計(jì)算與分析

左亞軍
（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州511430）

針對電梯轎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論計(jì)算復(fù)雜和應(yīng)力試驗(yàn)周期較長的問題，采用CAE仿真分析方法，結(jié)合ANSYSWorkbench有限元分析軟件，對電梯轎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到電梯轎架結(jié)構(gòu)在各個(gè)運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力數(shù)值大小，并分析了其疲勞強(qiáng)度滿足要求，確保了轎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全可靠性，為應(yīng)力試驗(yàn)提供了可靠的參考依據(jù)。

電梯轎架；ANSYS；有限元分析；疲勞強(qiáng)度

0　引言

電梯轎架是電梯載荷的主要承載構(gòu)件，既要支撐整個(gè)電梯各構(gòu)件的重量，在電梯運(yùn)行過程中還要承受各類工況載荷的作用，因此，轎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到電梯運(yùn)行使用的安全性。

目前，在電梯轎架設(shè)計(jì)中常采用理論計(jì)算[1]和強(qiáng)度試驗(yàn)[2-3]等方法對轎架的強(qiáng)度進(jìn)行校核，但這兩種方法分別存在以下問題：（1）在理論計(jì)算方法中，不能對轎架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，只能對單個(gè)零部件進(jìn)行理論計(jì)算，且對部件進(jìn)行了簡化和假設(shè)，這樣所得到的計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確；（2）在強(qiáng)度試驗(yàn)中，其結(jié)果的準(zhǔn)確性雖然較高，但應(yīng)力試驗(yàn)需要花費(fèi)較多的時(shí)間、人力和費(fèi)用，造成開發(fā)周期較長和費(fèi)用較高等問題。

因此，針對以上兩個(gè)問題，在本文中以某種型號的無機(jī)房電梯轎架為例，采用CAE有限元數(shù)值模擬方法[4]，結(jié)合ANSYSWorkbench有限元分析軟件對轎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，來驗(yàn)證電梯轎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求，為后期的應(yīng)力試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，并可以減少應(yīng)力試驗(yàn)次數(shù)，從而縮減轎架的開發(fā)周期和費(fèi)用。

電梯轎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析計(jì)算的基本過程如圖1所示。

1　轎架有限元分析

1.1有限元模型

通過已建立好的Solidworks與ANSYSWork?bench無縫連接的協(xié)同環(huán)境，在Solidworks中直接啟動ANSYSWorkbench并讀取Solidworks中的轎架總裝幾何模型。

圖1　轎架有限元分析

為了便于網(wǎng)絡(luò)劃分和求解計(jì)算，適當(dāng)對轎架模型進(jìn)行了簡化處理，如：忽略了螺栓、鉚釘?shù)葒鴺?biāo)件，去除了導(dǎo)靴裝配和反繩輪，且無轎頂、轎廂壁板、轎門和門機(jī)等部件。

在Workbench中對轎架幾何模型進(jìn)行處理后，根據(jù)實(shí)際情況采用2DShell單元和3DSolid單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格建立轎架有限元模型（如圖2所示），節(jié)點(diǎn)數(shù)約56萬個(gè)，單元數(shù)約33萬個(gè)。

圖2　轎架有限元分析模型

1.2材料參數(shù)

在電梯轎架有限元模型中所用到的材料有Q235鋼和天然橡膠，其力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1　材料性能參數(shù)

1.3接觸定義

ANSYSWorkbench中共有五種接觸類型，分別是：綁定接觸(Bonded)、不分離接觸(No Separa?tion)、無摩擦接觸(Frictionless)、粗糙接觸(Rough)和摩擦接觸(Frictional)[5]。為了減少計(jì)算量，在本文中根據(jù)實(shí)際情況把轎架有限元模型中的接觸關(guān)系簡化定義為綁定接觸(Bonded)或不分離接觸(No Separation)，這兩種接觸類型均是線性行為，求解計(jì)算時(shí)僅需迭代一次即可完成計(jì)算，求解時(shí)間短，且能保證良好的求解計(jì)算精度。

1.4約束條件和載荷工況

1.4.1約束條件

轎架有限元模型的邊界條件施加情況如下：

（1）在反繩輪軸的安裝軸承處施加圓柱面約束，約束軸向、徑向和切向的自由度；

（2）在導(dǎo)靴限位板和安全鉗鉗座的鉗口處分別施加位移約束，根據(jù)實(shí)際情況分別約束X方向、Z方向的自由度。

邊界條件的施加見表2和圖3所示。

表2　邊界條件

1.4.2載荷工況

由于轎廂壁板、轎頂、門機(jī)和轎頂電氣箱等部件不是被考核和分析的對象，因此在模型中它們對轎架的作用直接以作用力的形式施加在相應(yīng)的位置。

圖3　載荷和約束條件

另外，隨行電纜重量和補(bǔ)償重量以集中力的形式施加在相應(yīng)的位置，上轎底的載重以均布力的形式施加在前后鋼板上，轎架自重的模擬施加一個(gè)重力加速度即可。

電梯在實(shí)際使用過程中，會承受各類工況的載荷，因此十分有必要對各種主要常見的工況進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力大小，在本文中選取了6個(gè)典型的工況來進(jìn)行分析計(jì)算：（1）底層空載0%Load；（2）頂層滿載100%Load；（3）頂層左偏載50%Load；（4）頂層右偏載50%Load；（5）頂層前偏載50%Load；（6）頂層后偏載50%Load。

2　計(jì)算結(jié)果及其分析

2.1有限元計(jì)算結(jié)果

有限元分析得到轎架結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況載荷下的應(yīng)力結(jié)果及其分布云圖如圖4至圖9所示。

圖4　空載0%Load（底層）

圖5　滿載100%Load（頂層）

圖6　左偏載50%Load（頂層）

圖7　右偏載50%Load（頂層）

圖8　前偏載50%Load（頂層）

圖9　后偏載50%Load（頂層）

從圖4至圖9的轎架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖中可以看出：

（1）底層空載時(shí)，由于整個(gè)轎架仍受到壁板、轎頂、門機(jī)、轎門及轎架自重的作用力，因此仍會產(chǎn)生一定的形變和應(yīng)力；

（2）轎底架邊梁懸掛補(bǔ)償鏈和反繩輪安裝處應(yīng)力比較大；

（3）上轎底側(cè)邊框安裝防振橡膠處、拼板中間位及拼板端部折彎角的應(yīng)力較大；

（4）立柱中間部位和其下端連接板的折彎處受力比較大；

（5）斜拉桿和安裝架連接處應(yīng)力較大。

2.2結(jié)果分析

在電梯的運(yùn)行中，常態(tài)影響因素將對轎廂部分的受載狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成復(fù)雜的交變載荷工況，因此疲勞強(qiáng)度將成為轎架應(yīng)力分析的關(guān)

表3　有限元分析結(jié)果疲勞安全率

鍵考核指標(biāo)。常態(tài)影響因素有以下三點(diǎn)：

（1）轎廂內(nèi)負(fù)載(Load)的變化；

（2）不同提升高度時(shí)，電梯所配置的隨行電纜、補(bǔ)償鏈（纜）重量的變化；

（3）電梯運(yùn)行過程中，電梯加減速度的變化和產(chǎn)生的振動。

整理出轎架結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力較大的解析結(jié)果見表3，可以看出各部件的疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

表3中的疲勞安全率Sf的計(jì)算規(guī)則[2]如下：

其中：σm為平均應(yīng)力；σr為應(yīng)力振幅；σw為疲勞極限；σT為真破斷強(qiáng)度。

3　結(jié)論

本文針對電梯轎架強(qiáng)度的理論計(jì)算和應(yīng)力試驗(yàn)中所存在的不足之處，采用有限元數(shù)值模擬方法，結(jié)合ANSYSWorkbench仿真分析軟件，建立電梯轎架結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，模擬電梯在實(shí)際使用中可能遇到的各個(gè)載荷工況，分別計(jì)算分析出它們的應(yīng)力大小和應(yīng)力分布狀態(tài)，確定關(guān)鍵受力點(diǎn)，并判斷其疲勞安全率是否滿足要求，保證了電梯轎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠性，同時(shí)為應(yīng)力試驗(yàn)中的應(yīng)力測試點(diǎn)的選取提供了可靠的參考依據(jù)，并可有效地減少應(yīng)力試驗(yàn)次數(shù)，從而縮減了電梯轎架開發(fā)的周期和費(fèi)用。

［1］喻純澤.電梯設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)例［M］.廊坊：中國電梯雜志社，2011.

［2］肖永恒.電梯轎架強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（3）：48-51.

［3］金龍，李宜燃，王敏.升船機(jī)承船廂結(jié)構(gòu)有限元分析研究［J］.機(jī)電工程，2014（04）：466-469.

［4］劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［5］黃志新，劉成柱.ANSYSWorkbench 14.0超級學(xué)習(xí)手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

(編輯：阮毅)

The Strength Calculation and Analysis of Elevator Car Frame Based on ANSYS

ZUO Ya-jun
（HitachiElevator（China）Co.，Ltd.，Guangzhou511430，China）

To solve the problemsof that the elevator car frame structure strength theoretical calculation is relatively complex and the stress test period is long，using the analysismethod of CAE simulation，combining with ANSYSWorkbench finite element analysis software，obtained the stress distribution and stress values in various operating conditions by the finite elementanalysis on the elevator car frame，and analyzed its fatigue strength meet the requirements，ensuring the safety and reliability of car frame structural design，providing a reliable reference for the stress test.

elevator car frame；ANSYS；FEA；fatigue strength

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0039－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.009

2015－03－17

左亞軍，男，1984年生，湖南邵陽人，碩士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：電梯機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)與強(qiáng)度計(jì)算。已發(fā)表論文2篇。