邱文煥

（福建省特種設備檢驗研究院莆田分院，福建 莆田 351100）

1 引言

背包式電梯因其兼具井道利用率高和適用于直角開門和三開門設計等優(yōu)點，在建筑行業(yè)得到越來越廣泛的應用[1]，特別適用于上個世紀90年代后期建設的小高層及其鄉(xiāng)村小別墅等沒有預留井道的建筑，背包式電梯結構主要由曳引機組合、對重導軌、轎廂導軌、導軌支架等部件組成。其中，轎廂裝配由背包架、轎底組合、轎壁布置、轎頂組合、門機等結構組成。而背包架作為轎廂裝配的主要結構件，是電梯工作過程中的主要承載部件之一，其強度是否滿足工程要求決定了電梯能否可靠、穩(wěn)定運行。

由于背包架結構較為復雜，采用傳統(tǒng)的結構強度計算方法往往需要對結構進行簡化處理，導致工作量大且計算結果誤差較大[2]。而ANSYS有限元分析軟件不僅可以進行復雜機械結構的強度分析，而且能夠簡化模型的建模復雜度，從而在提高計算精度的同時，提高分析計算效率。此外，傳統(tǒng)計算方法主要考慮額定均布載荷下的轎廂裝配的結構強度，而忽視偏載對轎廂裝配結構強度的影響[3]。實際運行過程中，轎廂裝配往往在偏載條件下工作。因此，有必要探討基于多工況的背包架結構有限元分析策略，研究ANSYS有限元分析環(huán)境下背包架結構的有限元建模與應力響應求解方法。

2 背包架結構有限元建模

背包架結構有限元建模過程主要包括單元及材料屬性指定、有限元網格模型建立、邊界加載等過程。

2.1 單元及材料屬性指定

背包架選用Q235為材料，其抗拉強度為240MPa，楊氏模量為2.12x105MPa，泊松比為0.3，密度為7.86x10-6Kg/mm3，材料截面方向屬性為各向同性。

為提高背包架的結構靜態(tài)應力響應分析計算精度，單元類型選用SOLID187。SOLID187單元為三維10節(jié)點四面體固體結構單元，功能強大，精度高，支持塑性、蠕變、大變形等多種有限元分析場合。

2.2 有限元網格模型建立

背包架結構較為復雜，在ANSYS直接建立實體模型或網格模型存在建模難度大、效率低等不足。利用Pro/Engineer強大的實體建模能力及其與ANSYS之間的無縫數據接口實現背包架實體建模，進而在ANSYS環(huán)境下對實體模型進行網格劃分，從而得到背包架的網格模型，能夠有效降低建模難度，提高建模效率，充分發(fā)揮ANSYS強大的有限元分析計算能力。

在有限元網格劃分過程中，網格的疏密程度對有限元分析結果影響甚大。有限元網格越密，則有限元計算結果越精確，但同時有限元模型也越復雜，有限元求解所需硬件設備越高，計算時間也越長。然而，為保證有限元計算結果的有效性，網格也不能過疏。為降低模型求解復雜度，同時保證計算精度，采用如下方法控制網格疏密度：

（1）分別采用大小為SIZE和SIZE/2控制模型網格劃分，并分別得到最大應力MASSPRES_A和MASSPRES_B。

（2） 若 (MASSPRES_A-MASSPRES_B)/MASSPRES_A滿足要求，則以MASSPRES_B對應的結果若為分析結果，否則令SIZE=SIZE/2，并重復以上步驟。

根據上述分析步驟，對某額定載重量為320Kg的家用電梯的背包架進行網格劃分，得到如圖1所示網格模型。

圖1 背包架網格模型

2.3 邊界加載

有限元建模過程中，邊界加載主要包括位移約束加載和外載荷加載。

（1）位移約束

背包架通過導靴安裝在轎廂導軌上，曳引機通過曳引繩帶動繩輪組合從而帶動背包架實現上下運動。背包架不傾斜的情況下，導靴與轎廂導軌并不接觸。但當背包架傾斜時，導靴與轎廂導軌便相接觸。因此，在圖1所示坐標系下，在施加位移約束時，4處導靴與轎廂導軌接觸面上的節(jié)點施加X、Y兩個方向的零位移約束，繩輪與曳引繩接觸面上的節(jié)點施加Z方向上的零位移約束。

（2）外載荷約束

對于背包架而言，外載荷包含三部分：背包架自身重力載荷、額定載荷FC和轎廂裝配扣除背包架后的自重FG。傳統(tǒng)的計算只考慮均載條件下的強度，忽略偏載條件下的強度。而電梯實際運行過程中，實際載荷往往是偏載的。為彌補傳統(tǒng)計算方法的不足，分別在均載和偏載兩種工況下計算背包架的結構應力響應。其中，均載是指FC和FG均布與背包架下梁上表面全范圍內；偏載是指FC均布與背包架下梁上表面全范圍內，而FG只均布與與背包架下梁上表面遠離背包立梁的3/5面積范圍內。

由上述分析可知，兩個工況下邊界條件唯一不同的是背包架下梁上表面各節(jié)點所施加力FZ的大小不同。如圖2所示，為背包架施加邊界載荷后的結果圖。邊界加載完成后，便可在ANSYS環(huán)境下對背包架結構應力響應進行計算求解。

圖2 背包架邊界加載結果

3 背包架結構分析結果

現有某額定載荷為630Kg的家用別墅電梯，其中FG=630Kg，背包架立梁長度為2730mm，下梁長度為1400mm。根據以上有限元建模策略，分析計算得到均載和偏載兩種工況下結構的綜合位移變形圖及綜合應力分布圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 載荷均布工況下背包架結構分析結果

圖4 載荷不均布工況下背包架結構分析結果

根據相關行業(yè)標準，該電梯背包架的許用安全系數為[n]=2.40，許用撓度[ω]=l/750。其中l(wèi)為結構長度，單位為mm。綜合上述分析結果，可得該背包架結構分析結果如表1所示。

表1 背包架結構分析結果

由表中數據可知，在均載工況和偏載工況下，背包架結構強度均能夠滿足工程設計要求。但在偏載工況下，結構最大應力值提高了24.37%，最大變形位移增大了25.59%。因此，偏載工況更能體現背包架結構的承載能力。

4 結論

提出了多工況背包架結構靜態(tài)應力有限元分析策略，深入研究了背包架結構有限元網格劃分方法，避免了網格劃分的盲目性，在保證計算效率的同時提高了網格質量。結合轎廂裝配的工作條件，深入探討了背包架結構分析時有限元模型中施加了位移約束和偏載與均載工況下背包架的外載荷的施加方式。進而結合某額定載荷為320Kg的電梯背包架的結構分析，驗證了多工況背包架結構靜態(tài)應力有限元分析策略的可行性、必要性和有效性，解決了傳統(tǒng)方法進行背包架結構強度計算時存在的計算效率低、計算工況單一且精度差等問題。

[1]劉大柱，蔡旭青．淺談別墅電梯的轎架改進．中國高新技術企業(yè)，2013，16：25-26．

[2]趙袆．客梯轎廂架強度計算．科技信息（科學?教研），2008，12：264-265．

[3]傅海明．電梯轎廂的ANSYS結構優(yōu)化設計．機電信息，2012，6：152-153．