多工况电梯背包架结构有限元建模与分析

邱文焕

（福建省特种设备检验研究院莆田分院，福建 莆田 351100）

1 引言

背包式电梯因其兼具井道利用率高和适用于直角开门和三开门设计等优点，在建筑行业得到越来越广泛的应用[1]，特别适用于上个世纪90年代后期建设的小高层及其乡村小别墅等没有预留井道的建筑，背包式电梯结构主要由曳引机组合、对重导轨、轿厢导轨、导轨支架等部件组成。其中，轿厢装配由背包架、轿底组合、轿壁布置、轿顶组合、门机等结构组成。而背包架作为轿厢装配的主要结构件，是电梯工作过程中的主要承载部件之一，其强度是否满足工程要求决定了电梯能否可靠、稳定运行。

由于背包架结构较为复杂，采用传统的结构强度计算方法往往需要对结构进行简化处理，导致工作量大且计算结果误差较大[2]。而ANSYS有限元分析软件不仅可以进行复杂机械结构的强度分析，而且能够简化模型的建模复杂度，从而在提高计算精度的同时，提高分析计算效率。此外，传统计算方法主要考虑额定均布载荷下的轿厢装配的结构强度，而忽视偏载对轿厢装配结构强度的影响[3]。实际运行过程中，轿厢装配往往在偏载条件下工作。因此，有必要探讨基于多工况的背包架结构有限元分析策略，研究ANSYS有限元分析环境下背包架结构的有限元建模与应力响应求解方法。

2 背包架结构有限元建模

背包架结构有限元建模过程主要包括单元及材料属性指定、有限元网格模型建立、边界加载等过程。

2.1 单元及材料属性指定

背包架选用Q235为材料，其抗拉强度为240MPa，杨氏模量为2.12x105MPa，泊松比为0.3，密度为7.86x10-6Kg/mm3，材料截面方向属性为各向同性。

为提高背包架的结构静态应力响应分析计算精度，单元类型选用SOLID187。SOLID187单元为三维10节点四面体固体结构单元，功能强大，精度高，支持塑性、蠕变、大变形等多种有限元分析场合。

2.2 有限元网格模型建立

背包架结构较为复杂，在ANSYS直接建立实体模型或网格模型存在建模难度大、效率低等不足。利用Pro/Engineer强大的实体建模能力及其与ANSYS之间的无缝数据接口实现背包架实体建模，进而在ANSYS环境下对实体模型进行网格划分，从而得到背包架的网格模型，能够有效降低建模难度，提高建模效率，充分发挥ANSYS强大的有限元分析计算能力。

在有限元网格划分过程中，网格的疏密程度对有限元分析结果影响甚大。有限元网格越密，则有限元计算结果越精确，但同时有限元模型也越复杂，有限元求解所需硬件设备越高，计算时间也越长。然而，为保证有限元计算结果的有效性，网格也不能过疏。为降低模型求解复杂度，同时保证计算精度，采用如下方法控制网格疏密度：

（1）分别采用大小为SIZE和SIZE/2控制模型网格划分，并分别得到最大应力MASSPRES_A和MASSPRES_B。

（2） 若 (MASSPRES_A-MASSPRES_B)/MASSPRES_A满足要求，则以MASSPRES_B对应的结果若为分析结果，否则令SIZE=SIZE/2，并重复以上步骤。

根据上述分析步骤，对某额定载重量为320Kg的家用电梯的背包架进行网格划分，得到如图1所示网格模型。

图1 背包架网格模型

2.3 边界加载

有限元建模过程中，边界加载主要包括位移约束加载和外载荷加载。

（1）位移约束

背包架通过导靴安装在轿厢导轨上，曳引机通过曳引绳带动绳轮组合从而带动背包架实现上下运动。背包架不倾斜的情况下，导靴与轿厢导轨并不接触。但当背包架倾斜时，导靴与轿厢导轨便相接触。因此，在图1所示坐标系下，在施加位移约束时，4处导靴与轿厢导轨接触面上的节点施加X、Y两个方向的零位移约束，绳轮与曳引绳接触面上的节点施加Z方向上的零位移约束。

（2）外载荷约束

对于背包架而言，外载荷包含三部分：背包架自身重力载荷、额定载荷FC和轿厢装配扣除背包架后的自重FG。传统的计算只考虑均载条件下的强度，忽略偏载条件下的强度。而电梯实际运行过程中，实际载荷往往是偏载的。为弥补传统计算方法的不足，分别在均载和偏载两种工况下计算背包架的结构应力响应。其中，均载是指FC和FG均布与背包架下梁上表面全范围内；偏载是指FC均布与背包架下梁上表面全范围内，而FG只均布与与背包架下梁上表面远离背包立梁的3/5面积范围内。

由上述分析可知，两个工况下边界条件唯一不同的是背包架下梁上表面各节点所施加力FZ的大小不同。如图2所示，为背包架施加边界载荷后的结果图。边界加载完成后，便可在ANSYS环境下对背包架结构应力响应进行计算求解。

图2 背包架边界加载结果

3 背包架结构分析结果

现有某额定载荷为630Kg的家用别墅电梯，其中FG=630Kg，背包架立梁长度为2730mm，下梁长度为1400mm。根据以上有限元建模策略，分析计算得到均载和偏载两种工况下结构的综合位移变形图及综合应力分布图分别如图3和图4所示。

图3 载荷均布工况下背包架结构分析结果

图4 载荷不均布工况下背包架结构分析结果

根据相关行业标准，该电梯背包架的许用安全系数为[n]=2.40，许用挠度[ω]=l/750。其中l为结构长度，单位为mm。综合上述分析结果，可得该背包架结构分析结果如表1所示。

表1 背包架结构分析结果

由表中数据可知，在均载工况和偏载工况下，背包架结构强度均能够满足工程设计要求。但在偏载工况下，结构最大应力值提高了24.37%，最大变形位移增大了25.59%。因此，偏载工况更能体现背包架结构的承载能力。

4 结论

提出了多工况背包架结构静态应力有限元分析策略，深入研究了背包架结构有限元网格划分方法，避免了网格划分的盲目性，在保证计算效率的同时提高了网格质量。结合轿厢装配的工作条件，深入探讨了背包架结构分析时有限元模型中施加了位移约束和偏载与均载工况下背包架的外载荷的施加方式。进而结合某额定载荷为320Kg的电梯背包架的结构分析，验证了多工况背包架结构静态应力有限元分析策略的可行性、必要性和有效性，解决了传统方法进行背包架结构强度计算时存在的计算效率低、计算工况单一且精度差等问题。

[1]刘大柱，蔡旭青．浅谈别墅电梯的轿架改进．中国高新技术企业，2013，16：25-26．

[2]赵袆．客梯轿厢架强度计算．科技信息（科学•教研），2008，12：264-265．

[3]傅海明．电梯轿厢的ANSYS结构优化设计．机电信息，2012，6：152-153．