基于Creo Simulate的扶梯樓層板結構設計與試驗研究

柯治成

0 前言

2015年7月26日，荊州市某商場內發生一起扶梯事故，現場發現梳齒支撐板與樓層板搭接失效，導致樓層板受力翻轉，造成一名乘客從驅動站上方掉進梯級與防護板之間，卷入運行的梯級中死亡[1-2]。經初步分析，該意外發生的主要原因是樓層板（蓋板）翻轉，其結構設計不合理，產品安裝成型后三塊蓋板間水平活動范圍過大，且樓層板設計成凸形易翻轉[3]。

樓層板位于自動扶梯的上、下平層段，通過中間地板支架、地板橫梁與桁架連接，固定在樓層板邊框內，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。如果樓層板的強度不足或結構設計不合理則很容易發生前面提到的扶梯事故。按照傳統的經驗設計和力學分析方法，難以得到精確的應力分布和變形情況。隨著CAD/CAE軟件的廣泛應用和有限元技術的飛躍發展，已普遍應用該方法來求解復雜的工程問題，并取得了很好的效果。

Creo Simulate是Creo軟件中的一個力學分析模塊，在設計過程中能無縫集成的模擬實際工作環境，為模型施加約束、載荷等參數，采用幾何單元劃分網格來計算結構的應力分布和變形等特性，從而實現靜態和模態分析，并借助優化分析為模型尋找最佳參數。缺省時，Creo Simulate以P方法對模型自動劃分網格，它采用適應性P-method技術，在不改變單元網格劃分的情況下，靠增加單元內插值多項式的階數來達到設定的收斂精度。理論上，插值多項式的階數可以很高，但在實際工作中，往往將多項式的最高階數控制在9以內，就能非常精確地擬合大應力梯度[4-5]。

1 Creo Simulate結構分析流程

（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《電梯型式試驗規則》J6.18對樓層板強度要求如下：

“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。

試驗時，在自動扶梯和自動人行道的上下部樓層板上，分別放置均勻分布的載荷，在樓層板踏面測得的變形應不大于4 mm，且永久變形不大于 1 mm[6]。”

（3）網格劃分。

（4）定義分析任務，計算結果。

（5）靈敏度分析和優化設計研究。

2 樓層板結構仿真分析

2.1 分析模型選擇

圖1 中間地板初始結構模型

文中取中間地板為研究對象，基座選用鋁合金型材，面板選用不銹鋼板，采用防滑設計，上表面沖壓有規則排布的條形花紋，仿真時不考慮花紋和兩側安裝孔。鑒于獨立式活動蓋板易翻轉的缺點，本方案采用嵌入式結構，保證每塊樓層板之間能有效關聯。以梯級寬度為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192 mm的鋁型材和一塊寬1 538 mm，長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4 mm且永久變形不大于1 mm，同時滿足材料屈服強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，從環境條件、材料的力學性能及成本考慮，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，熱膨脹系數為2.36×10-5(1/℃)，抗拉強度為 210 MPa，屈服強度為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，熱膨脹系數為1.73×10-5(1/℃)，抗拉強度為520 MPa，屈服強度為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，再根據中間地板在扶梯中的安裝對其1～4固定面分別進行各方向自由度的約束。實際裝配中，由于1和2處設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，所以約束xyz方向移動和轉動，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方向的移動和轉動，如圖2所示。

圖2 載荷及約束圖

2.4 網格劃分

Creo提供了模型網格自動生成(Auto GEM)的功能，分別設置鋁型材和面板的最大元素尺寸為20 mm、25 mm，完成后創建169 260個單元和46 923個節點。

2.5 結果分析

后處理中查看靜態變形和應力云圖，如圖3所示。

圖3 中間地板優化前應力、位移云圖

分析結果顯示，中間地板的最大應力為77.1 MPa＜［170 MPa，205 MPa］在材料的屈服強度范圍內,最大變形發生在中間區域，最大垂直位移（Z方向）為1.54 mm，滿足最大變形量小于4 mm的要求。

3 靈敏度分析及優化設計研究

3.1 局部敏感度分析

從上述仿真分析的結果來看，變形量和材料極限仍有較大的設計余量，為實現產品輕量化和結構最優化。現從樓層板設計的重要參數（如材料選用，面板、鋁型材及加強筋厚度、基座高度、加強筋間距和數量等）開展研究。為找出這些參數中那些對設計目標影響最大，那些影響最小，運用“局部敏感度”來分析。

表1是有關的參數定義。忽略材料變化，定義面板板厚THK1，鋁型材及加強筋厚度THK2，基座高度H，加強筋間距L1、L2作為考察的設計參數（見圖4）。

表1 參數定義

圖4 參數定義

在Creo Simulate主頁運行框中打開“分析和研究”對話框，在文件下拉列表中選擇“新建敏感度設計研究”，彈出“敏感度研究定義”對話框，首先，在類型中選擇“局部敏感度”，然后，在分析欄選中靜態分析，最后，在變量欄中通過“從模型中選取尺寸”圖標在模型中選取上述定義的5個尺寸逐個分析。

計算完成后查看有限元分析結果，得出相關曲線圖，總結可知H、THK1、THK2對中間地板質量和變形量的影響趨勢基本一致，厚度、高度與質量正相關，厚度、高度越大質量越高，厚度、高度與變形量負相關，厚度、高度越大變形越小。L1、L2對鋁型材基座質量和變形的影響與基本一致，間距變化對鋁型材總質量無影響，合理設置L1、L2間距和數量可以減少變形量。故此，抽取H、L2和厚度參數來重點研究。運行“全局敏感度”和優化設計研究。

3.2 優化設計研究

創建優化設計研究任務，彈出“優化研究定義”對話框，首先，在類型中選擇“優化”，其次，在目標下拉列表中選擇“最小化”，定義測量為total_mass（總質量）和max_disp_z（z向最大位移），再給定設計極限值，最后在“變量欄”通過“從模型中選擇尺寸”分別選取模型中H、L2、THK2、THK1對應的尺寸。優化后參數值（表1），截面（圖5）。

圖5 優化設計后的鋁型材截面

按上述設計方法，設計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

以優化設計后的中間地板為模型，方法與優化前一致，得出靜態應力、位移云圖（見圖7）。其最大應力為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。優化后中間地板的總質量從18.37 kg降低為13.79 kg，減少4.58 kg，材料利用更加合理，結構更加優化，同時節約了成本。

圖7 優化后應力、位移云圖

4 試驗驗證

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

測量點選取按以下規則：

（1）在中間地板和大地板的中心線上選取；

（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1/4位置選取若干個測試點；

（3）線1和線2上選擇位于地板加強筋上的點；

（4）中間地板最前端測試點為1號點，然后往大地板方向編號以此增加。將線1上的點編號完畢后再編線2上的點。

按6 000 N/m2加載載荷，現場測試如圖8所示。

圖8 樓層板變形現場測試圖

連續加載、卸載三次，記錄前、后測試數據，分別求取彈性變形量，然后對三次彈性變形求取平均值，數據處理后的變化曲線（見圖9）。

圖9 樓層板各測量點彈性變形變化圖

中間地板對應的測試點為1～3，變形結果分別為2.09 mm，2.32 mm，2.31 mm與仿真結果2.23 mm基本一致，永久變形約為0.2 mm，在允許范圍內。

5 結論

本文利用Creo Simulate對扶梯樓層板的中間地板進行了有限元分析，得到了精確的應力分布和最大垂直位移，驗證了各部件的強度和變形均滿足要求。在此基礎上對鋁型材截面和不銹鋼面板進行了優化設計，優化后總質量減少4.58 kg，實現了輕量化設計，對整個樓層板而言成本節約效果明顯。最后，對樓層板進行了試驗驗證，經過測量點選取、記錄初始讀數、三次加載和卸載讀數、數據處理等過程，驗證了仿真的正確性，表明運用Creo Simulate對設計者改善產品結構，降低設計成本具有重要的參考作用。

參考文獻：

［1］牛召平.自動扶梯和自動人行道樓層板安全性分析［J］.中國特種設備安全，2015，31（9）：1-2.

［2］秦樂.一例自動扶梯活動蓋板保護裝置的隱患分析［J］.中國特種設備安全，2016，32（7）：1-2.

［3］楊曉東.關于7.26扶梯事故的思考［J］.中外企業家，2016（9）：1-2.

［4］劉朝暉.基于Pro Mechanica的扶梯導軌支架結構分析與優化設計［J］.機電工程技術，2012，41（7）：233-236.

［5］北京兆迪科技有限公司.CREO2.0產品工程師寶典［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［6］TSGT7007-2016.特種設備安全技術規范—電梯型式試驗規則［S］.