基于ANSYS的電梯轎架強度計算與分析

左亞軍（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州511430）

基于ANSYS的電梯轎架強度計算與分析

左亞軍
（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州511430）

針對電梯轎架結構強度的理論計算復雜和應力試驗周期較長的問題，采用CAE仿真分析方法，結合ANSYSWorkbench有限元分析軟件，對電梯轎架結構強度進行有限元分析計算，得到電梯轎架結構在各個運行工況下的應力分布狀態(tài)和應力數(shù)值大小，并分析了其疲勞強度滿足要求，確保了轎架結構強度的安全可靠性，為應力試驗提供了可靠的參考依據(jù)。

電梯轎架；ANSYS；有限元分析；疲勞強度

0　引言

電梯轎架是電梯載荷的主要承載構件，既要支撐整個電梯各構件的重量，在電梯運行過程中還要承受各類工況載荷的作用，因此，轎架結構設計是否合理直接關系到電梯運行使用的安全性。

目前，在電梯轎架設計中常采用理論計算[1]和強度試驗[2-3]等方法對轎架的強度進行校核，但這兩種方法分別存在以下問題：（1）在理論計算方法中，不能對轎架整體結構進行受力計算，只能對單個零部件進行理論計算，且對部件進行了簡化和假設，這樣所得到的計算結果不夠準確；（2）在強度試驗中，其結果的準確性雖然較高，但應力試驗需要花費較多的時間、人力和費用，造成開發(fā)周期較長和費用較高等問題。

因此，針對以上兩個問題，在本文中以某種型號的無機房電梯轎架為例，采用CAE有限元數(shù)值模擬方法[4]，結合ANSYSWorkbench有限元分析軟件對轎架結構強度進行分析計算，來驗證電梯轎架結構設計是否滿足強度要求，為后期的應力試驗奠定基礎，并可以減少應力試驗次數(shù)，從而縮減轎架的開發(fā)周期和費用。

電梯轎架結構強度的有限元分析計算的基本過程如圖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)絡劃分和求解計算，適當對轎架模型進行了簡化處理，如：忽略了螺栓、鉚釘?shù)葒鴺思コ藢аパb配和反繩輪，且無轎頂、轎廂壁板、轎門和門機等部件。

在Workbench中對轎架幾何模型進行處理后，根據(jù)實際情況采用2DShell單元和3DSolid單元劃分網(wǎng)格建立轎架有限元模型（如圖2所示），節(jié)點數(shù)約56萬個，單元數(shù)約33萬個。

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]。為了減少計算量，在本文中根據(jù)實際情況把轎架有限元模型中的接觸關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，求解計算時僅需迭代一次即可完成計算，求解時間短，且能保證良好的求解計算精度。

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的位置。

圖3　載荷和約束條件

另外，隨行電纜重量和補償重量以集中力的形式施加在相應的位置，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重力加速度即可。

電梯在實際使用過程中，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行有限元分析計算，得出應力分布狀態(tài)和應力大小，在本文中選取了6個典型的工況來進行分析計算：（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　計算結果及其分析

2.1有限元計算結果

有限元分析得到轎架結構在各個工況載荷下的應力結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的轎架結構的應力云圖中可以看出：

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

（2）轎底架邊梁懸掛補償鏈和反繩輪安裝處應力比較大；

（3）上轎底側邊框安裝防振橡膠處、拼板中間位及拼板端部折彎角的應力較大；

（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力較大。

2.2結果分析

在電梯的運行中，常態(tài)影響因素將對轎廂部分的受載狀態(tài)產生影響，進而形成復雜的交變載荷工況，因此疲勞強度將成為轎架應力分析的關

表3　有限元分析結果疲勞安全率

鍵考核指標。常態(tài)影響因素有以下三點：

（1）轎廂內負載(Load)的變化；

（2）不同提升高度時，電梯所配置的隨行電纜、補償鏈（纜）重量的變化；

（3）電梯運行過程中，電梯加減速度的變化和產生的振動。

整理出轎架結構各部件應力較大的解析結果見表3，可以看出各部件的疲勞強度均滿足要求。

表3中的疲勞安全率Sf的計算規(guī)則[2]如下：

其中：σm為平均應力；σr為應力振幅；σw為疲勞極限；σT為真破斷強度。

3　結論

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

［1］喻純澤.電梯設計計算與實例［M］.廊坊：中國電梯雜志社，2011.

［2］肖永恒.電梯轎架強度的試驗研究［J］.湖南工業(yè)大學學報，2012，26（3）：48-51.

［3］金龍，李宜燃，王敏.升船機承船廂結構有限元分析研究［J］.機電工程，2014（04）：466-469.

［4］劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［5］黃志新，劉成柱.ANSYSWorkbench 14.0超級學習手冊［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。研究領域：電梯機械結構的設計開發(fā)與強度計算。已發(fā)表論文2篇。