基于Abaqus的電梯轎架有限元分析與結構優化

許志強

（廣州廣日電梯工業有限公司，廣東廣州 511447）

0 引言

電梯轎架是電梯轎廂結構的骨架，是轎廂的主要承力結構，為保證轎廂在電梯各種工況條件下安全運行，要求轎架結構部件接觸應力小于材料許用應力，因此必須對電梯轎架的力學性能進行可靠分析。但實際中轎架是由多部件組合并與曳引鋼絲繩相連組成一個升降平臺，為空間靜不定結構，使用傳統理論計算公式需進行大量假設與簡化，且只能針對較為單一部件進行，所得結果不夠準確，因而行業內對其選取的安全系數均較大，導致轎架自重大，成本較高，不利于節能環保要求。因此，如何解決轎架安全與降本、減重之間的矛盾，是電梯行業普遍關注的問題。

有限元仿真分析技術的發展為解決這一問題提供有效途徑。目前有限元分析在電梯轎架開發、設計中對結構進行力學分析方面使用已較為普遍。其優勢在于既可對轎架結構整體受力分析得出較準確結果；又可以通過多種優化方案而不建立實際樣機改進產品性能，提高產品質量并完成轎架輕量化設計目標。本文作者運用Abaqus有限元分析軟件，對某電梯轎架進行靜強度計算，并進行實際工況下轎架強度實驗測試，驗證模型仿真結果的準確性，為轎架實際優化改進提供可靠依據。

1 有限元計算模型建立

1.1 模型建立

運用SolidWorks軟件建立轎架三維模型，大小與尺寸嚴格按照圖紙尺寸1:1繪制。對不重要的圓角、螺栓、鉚釘在建模時進行簡化處理[1]。SolidWorks中建模完成后將模型以*.x_t文件格式輸出，利用Abaqus提供的數據接口，以裝配體形式導入Abaqus。

轎架結構較為復雜，為多部件組合而成，完全以實體模型進行有限元分析較為困難，且全部為實體模型仿真分析計算量大，分析周期長。因此，模型導入Abaqus后，在Abaqus中對模型再次簡化處理：（1） 轎架組成部件多為鈑金件與型材，厚度方向尺寸遠小于另外兩維方向尺寸，且垂直于厚度方向的應力基本可以忽略，因此對轎架各鈑金件進行殼體化處理；（2）斜拉桿為二力桿，對其桁架處理；（3）反繩輪、安全鉗、防震橡膠、斜拉桿座、導靴以實體模型進行分析；（4）對受力不關注部件如導靴、安全鉗、反繩輪、軸承、軸作剛體設置。簡化處理后的模型如圖1所示。

圖1 簡化處理后模型圖

1.2 材料屬性及網格劃分

電梯轎架各部件均為Q235材料，轎底防震橡膠為天然橡膠，材料相關特征參數如表1所示。

表1 材料屬性

殼體化部件采用殼單元進行模擬，殼單元選用Abaqus/Standard中的線性四面體S4R，實體單元選用Abaqus/Standard中的二次四面體C3D10。關鍵節點部位單元大小約為5mm，轎廂底板、各邊框、C型筋、槽鋼網格大小為10mm，下橫梁槽鋼采用兩邊細密中間稀疏網格。轎架結構網格總數為434 768個，節點總數為596 567個。

1.3 接觸定義

為減少計算量，將Abaqus轎架裝配體Merge成1個Part1，Part1中不分離接觸即可不再進行接觸定義；因部件進行殼體化，因此對分離接觸采用Tie接觸定義，并定義殼體化后兩接觸面的實際距離。

1.4 約束條件及載荷施加

坐標系約定：選取坐標系為標準笛卡爾坐標系，以轎架寬度方向為X方向，以轎架深度方向為Z方向，轎架高度方向為Y方向。

實際轎架依靠安裝于上橫梁的反繩輪在曳引繩牽引下沿Y軸方向上作垂直運動，因此電梯靜載工況，在反繩輪與曳引繩接觸的下圓柱面施加約束，約束反繩輪Y方向位移。

安裝于上橫梁兩側的上導靴、兩安全鉗底座處的下導靴，與電梯導軌凸出相配合，約束了轎架在X、Z方向的位移和轉動，實現對轎架的導向作用，因此，在導靴與導軌配合的鉗口面施加X、Z方向的位移和轉動約束。

將轎架自重438 kg，以體力的形式賦予Part1。因轎廂其他部件不是主要受力構件不作為分析對象，因此將轎廂其他部件對轎架的作用力按實際情況施加在與轎廂底板相接觸的區域。

2 分析工況

轎廂轎架在樓宇內主要起著運送乘客或貨物到達指定樓層，在實際使用過程中存在空載、偏載、滿載甚至超載的情況。在轎廂裝載條件下，轎廂裝有125%額定載荷（超載）時為轎架靜態最不利工況[2]。該文選取125%額定載荷（超載）轎架位于最頂層時進行研究計算轎架的應力分布與大小。

3 有限元計算結果與分析

3.1 塑性材料屈服準則（米塞斯（Von.Mises）屈服準則）

材料的屈服表現為顯著的塑性變形，當電梯轎架部件發生塑性變形將影響電梯正常工作及舒適性。Abaqus分析結構靜強度根據Mises應力大?。ǖ刃Γ?，依據米塞斯（Von.Mises）屈服準則判定部件是否發生塑性變形。米塞斯（Von.Mises）屈服準則為在一定的變形條件下，當受力物體內一點的應力偏張力的第二不變量達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。即

用主應力表示為：

式中：σs為材料屈服強度，K為材料的剪切屈服強度。

與等效應力σˉ（Mises等效應力）比較，可得：

因此，米塞斯屈服準則也可表述為：在一定的變形條件下，當受力物體內一點的等效應力達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。而根據第四強度理論，Mises應力（σˉ）是作為材料處于復雜應力狀況時判定材料是否進入塑性的一個綜合指標，即得：σˉ＜σs時鋼材處于彈性階段，σˉ≥σs時鋼材處于塑性階段，其中σs為鋼材的屈服強度[3]。

3.2 轎架有限元計算結果與分析

Abaqus有兩個主要分析模塊：Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit，Abaqus/Standard是一個通用分析模塊，它能夠求解領域廣泛的線性和非線性問題，包括靜力、動力、熱和電問題的響應等。Abaqus/Explicit是用于特殊目的分析模塊，它采用顯式動力有限元列式，適用于像沖擊和爆炸這類短暫，瞬時的動態事件[4]。文中研究轎架靜力問題，因此選用Abaqus/Standard模塊進行分析。轎架仿真計算結果應力云圖如圖2所示。

圖2 轎架應力云圖

對該電梯架構125%載荷條件下的強度仿真計算可以看出：

（1）上轎底左側邊中間位置與防震橡膠連接處第367 727單元應力值為296.2 MPa、第368 209單元應力值為275.2 MPa、第367 728單元應力值為255.1 MPa，此3個單元應力值超過Q235材料屈服強度值235 MPa，但該處最大值超過屈服極限不大且遠小于抗拉強度，加之面積非常小、結構整體主要Mises應力值在0～40 MPa之間，取安全系數為4，許用應力為58.75 MPa，參照構架強度設計標準，并采用米塞斯（Von.Mises）屈服準則對構架的靜強度進行評定，即計算工況下構架構件整體等效應力(Mises應力)小于許用應力，則構架靜強度滿足要求，因此在此工況下轎架強度滿足安全要求。

（2）轎架結構中上轎底與轎架裝卸重量通過防震橡膠傳遞至下轎底，計算結果中上轎底與防震橡膠連接處應力集中較為明顯，雖滿足強度安全要求，但因已有區域出現超過235 MPa，因而局部區域應做加強；各橫梁與邊框安全余量均較大，可進行輕量化優化。

4 應力測試實驗

在實際樣梯轎架上選取6個應力變化平緩區域采用電阻應變片進行實際應力測試，轎底部分選取4個，上橫梁選取2個。采用砂紙清除構件表面的油漆、氧化皮、污垢等覆蓋物；用酒精擦洗干凈后，將電阻應變片貼于構件表面，并將應變片通過屏蔽線接入數據采集儀，測試選用1/4橋法電路。在實際樣梯上施加同Abaqus模型計算工況大小和方向相同的力，通過Jmtest動態信號測試分析系統采集待測點電阻應變片數據。

電阻應變片測量法采集的是構件在外力作用下電阻應變片粘貼表面的應變量，由虎克定律即可求得構件應力σ：

式中：E為構件材料的彈性模量，ε應變。

將6個采集點的實測數據按式（4）計算應力值，與有限元仿真計算應力值對比，如表2所示。

表2 125%額定載荷下實測與仿真計算結果對比

實測結果與仿真計算結果對比表明，實驗結果與計算結果誤差在±10%左右，誤差原因主要在于應變片粘貼質量、實驗施加載荷難以做到完全均勻分布而產生[5-6]，但是從結果來看，實驗值與仿真計算值變化趨勢一致，誤差在可接受范圍內，因而仿真可準確地模擬實際狀況，仿真分析結果可信，可用于轎架結構強度分析。

5 優化設計與分析

根據有限元計算結果，上轎底兩側與中部防震橡膠連接處局部應力較大，超過材料屈服極限，存在一定安全風險，做加強筋進行局部加強處理?？紤]減重節能和降低成本，對安全余量大的部分進行輕量化設計，主要從部件厚度、形狀方面綜合考慮[7]。優化設計方案如表3所示。優化后轎架結構仿真分析應力云圖如圖3所示。

表3 優化設計方案

圖3 優化后轎架應力云圖

（1）優化后整個轎架結構重量減輕24.5 kg，輕量化5.59%；（2）優化設計后轎架結構在靜力最不利125%額定載荷條件下，原薄弱區域應力值由原來的最大296.2 MPa、整體范圍60～220 MPa降至最大58.86 MPa、整體范圍0～30 MPa；（3）原轎架結構最大應力值由原來的296.2 MPa降至222.8 MPa，最大應力值小于材料屈服強度，整體應力范圍0～30 MPa，優化效果明顯。

6 結論

研究轎架結構的有限元建模與分析方法，對轎架靜載最不利工況進行強度分析、實際應力實驗測試，在此基礎上對該轎架結構優化與輕量化設計，得出以下結論：

（1）運用Abaqus對電梯轎架進行有限元仿真分析，得出了轎架最大應力位置與區域、結構應力分布狀態與規律；并與實際應力實驗測試結果對比，得出有限元模擬結果可準確反映轎架實際受力狀態。

（2）基于轎架的有限元分析計算結果與實際應力測試實驗結果，以結構安全、降低成本與輕量化考慮進行結構優化，對轎架應力集中且過大的側邊框進行加強、對安全余量較大的上橫梁和槽型橫梁進行輕量化改進。優化后轎架結構應力最大值由原來的296.2 MPa降至222.8 MPa；質量減輕24.5 kg，輕量化5.59%；有效提高轎架的安全性能且降低轎架的自重，實現了轎架安全與成本的合理平衡，為轎架開發和改進提供實際指導和理論依據。