基于Creo Simulate的扶梯楼层板结构设计与试验研究

柯治成

0 前言

2015年7月26日，荆州市某商场内发生一起扶梯事故，现场发现梳齿支撑板与楼层板搭接失效，导致楼层板受力翻转，造成一名乘客从驱动站上方掉进梯级与防护板之间，卷入运行的梯级中死亡[1-2]。经初步分析，该意外发生的主要原因是楼层板（盖板）翻转，其结构设计不合理，产品安装成型后三块盖板间水平活动范围过大，且楼层板设计成凸形易翻转[3]。

楼层板位于自动扶梯的上、下平层段，通过中间地板支架、地板横梁与桁架连接，固定在楼层板边框内，是扶梯乘客的出入口，主要由中间地板（与梳齿支撑板搭接）、第一块大地板（靠近中间地板）、第二块大地板（远离中间地板）、第三块大地板（由桁架延伸情况决定是否选用）组成。如果楼层板的强度不足或结构设计不合理则很容易发生前面提到的扶梯事故。按照传统的经验设计和力学分析方法，难以得到精确的应力分布和变形情况。随着CAD/CAE软件的广泛应用和有限元技术的飞跃发展，已普遍应用该方法来求解复杂的工程问题，并取得了很好的效果。

Creo Simulate是Creo软件中的一个力学分析模块，在设计过程中能无缝集成的模拟实际工作环境，为模型施加约束、载荷等参数，采用几何单元划分网格来计算结构的应力分布和变形等特性，从而实现静态和模态分析，并借助优化分析为模型寻找最佳参数。缺省时，Creo Simulate以P方法对模型自动划分网格，它采用适应性P-method技术，在不改变单元网格划分的情况下，靠增加单元内插值多项式的阶数来达到设定的收敛精度。理论上，插值多项式的阶数可以很高，但在实际工作中，往往将多项式的最高阶数控制在9以内，就能非常精确地拟合大应力梯度[4-5]。

1 Creo Simulate结构分析流程

（1）材料属性、约束条件的定义。

（2）载荷及最大允许变形量的确定。

TSGT7007-2016《电梯型式试验规则》J6.18对楼层板强度要求如下：

“楼层板能承受下列要求确定的载荷的较大值：

1）楼层板踏面面积（m2）乘以6 000 N/m2;

2）每块楼层板2 200 N。

试验时，在自动扶梯和自动人行道的上下部楼层板上，分别放置均匀分布的载荷，在楼层板踏面测得的变形应不大于4 mm，且永久变形不大于 1 mm[6]。”

（3）网格划分。

（4）定义分析任务，计算结果。

（5）灵敏度分析和优化设计研究。

2 楼层板结构仿真分析

2.1 分析模型选择

图1 中间地板初始结构模型

文中取中间地板为研究对象，基座选用铝合金型材，面板选用不锈钢板，采用防滑设计，上表面冲压有规则排布的条形花纹，仿真时不考虑花纹和两侧安装孔。鉴于独立式活动盖板易翻转的缺点，本方案采用嵌入式结构，保证每块楼层板之间能有效关联。以梯级宽度为1 000 mm的梯型为参考，中间地板的外形尺寸为397 mm×1 538 mm（主要由两块宽1 538 mm，长192 mm的铝型材和一块宽1 538 mm，长397 mm的不锈钢板组成），要求在6 000 N/m2的均布载荷作用下变形量不超过4 mm且永久变形不大于1 mm，同时满足材料屈服强度和重量最轻的要求。初始模型如图1所示。

2.2 材料定义

由于该楼层板配室外扶梯，从环境条件、材料的力学性能及成本考虑，基座选用6031铝合金，其弹性模量为6.9×104MPa，泊松比为0.33，密度为2.7×103kg/m3，热膨胀系数为2.36×10-5(1/℃)，抗拉强度为 210 MPa，屈服强度为170 MPa。面板选用SUS304不锈钢，其弹性模量为1.95×105MPa，泊松比为0.25，密度为7.93×103kg/m3，热膨胀系数为1.73×10-5(1/℃)，抗拉强度为520 MPa，屈服强度为205 MPa。

2.3 添加载荷与约束

先在中间地板上表面施加6 000 N/m2的均布载荷，再根据中间地板在扶梯中的安装对其1～4固定面分别进行各方向自由度的约束。实际装配中，由于1和2处设有安装孔与中间地板支架上的焊接螺柱固定于楼层板边框内，所以约束xyz方向移动和转动，3和4分别与第一块大地板和梳齿支撑板搭接，所以只约束x方向的移动和转动，如图2所示。

图2 载荷及约束图

2.4 网格划分

Creo提供了模型网格自动生成(Auto GEM)的功能，分别设置铝型材和面板的最大元素尺寸为20 mm、25 mm，完成后创建169 260个单元和46 923个节点。

2.5 结果分析

后处理中查看静态变形和应力云图，如图3所示。

图3 中间地板优化前应力、位移云图

分析结果显示，中间地板的最大应力为77.1 MPa＜［170 MPa，205 MPa］在材料的屈服强度范围内,最大变形发生在中间区域，最大垂直位移（Z方向）为1.54 mm，满足最大变形量小于4 mm的要求。

3 灵敏度分析及优化设计研究

3.1 局部敏感度分析

从上述仿真分析的结果来看，变形量和材料极限仍有较大的设计余量，为实现产品轻量化和结构最优化。现从楼层板设计的重要参数（如材料选用，面板、铝型材及加强筋厚度、基座高度、加强筋间距和数量等）开展研究。为找出这些参数中那些对设计目标影响最大，那些影响最小，运用“局部敏感度”来分析。

表1是有关的参数定义。忽略材料变化，定义面板板厚THK1，铝型材及加强筋厚度THK2，基座高度H，加强筋间距L1、L2作为考察的设计参数（见图4）。

表1 参数定义

图4 参数定义

在Creo Simulate主页运行框中打开“分析和研究”对话框，在文件下拉列表中选择“新建敏感度设计研究”，弹出“敏感度研究定义”对话框，首先，在类型中选择“局部敏感度”，然后，在分析栏选中静态分析，最后，在变量栏中通过“从模型中选取尺寸”图标在模型中选取上述定义的5个尺寸逐个分析。

计算完成后查看有限元分析结果，得出相关曲线图，总结可知H、THK1、THK2对中间地板质量和变形量的影响趋势基本一致，厚度、高度与质量正相关，厚度、高度越大质量越高，厚度、高度与变形量负相关，厚度、高度越大变形越小。L1、L2对铝型材基座质量和变形的影响与基本一致，间距变化对铝型材总质量无影响，合理设置L1、L2间距和数量可以减少变形量。故此，抽取H、L2和厚度参数来重点研究。运行“全局敏感度”和优化设计研究。

3.2 优化设计研究

创建优化设计研究任务，弹出“优化研究定义”对话框，首先，在类型中选择“优化”，其次，在目标下拉列表中选择“最小化”，定义测量为total_mass（总质量）和max_disp_z（z向最大位移），再给定设计极限值，最后在“变量栏”通过“从模型中选择尺寸”分别选取模型中H、L2、THK2、THK1对应的尺寸。优化后参数值（表1），截面（图5）。

图5 优化设计后的铝型材截面

按上述设计方法，设计出两种不同用途的铝型材截面（图6），共同组成一套完整的楼层板。

图6 几种型材截面

以优化设计后的中间地板为模型，方法与优化前一致，得出静态应力、位移云图（见图7）。其最大应力为128.81 MPa＜［205 MPa，170 MPa］，最大垂直位移（Z方向）为2.23 mm＜4 mm，均在允许的范围内。优化后中间地板的总质量从18.37 kg降低为13.79 kg，减少4.58 kg，材料利用更加合理，结构更加优化，同时节约了成本。

图7 优化后应力、位移云图

4 试验验证

测试时将梳齿板、梳齿支撑板一同组装，在扶梯平层地板测试架上安装测试（不分析梳齿支撑板）。

测量点选取按以下规则：

（1）在中间地板和大地板的中心线上选取；

（2）在中间地板后部和大地板上有中间横梁支撑的部位，还要在一侧1/4位置选取若干个测试点；

（3）线1和线2上选择位于地板加强筋上的点；

（4）中间地板最前端测试点为1号点，然后往大地板方向编号以此增加。将线1上的点编号完毕后再编线2上的点。

按6 000 N/m2加载载荷，现场测试如图8所示。

图8 楼层板变形现场测试图

连续加载、卸载三次，记录前、后测试数据，分别求取弹性变形量，然后对三次弹性变形求取平均值，数据处理后的变化曲线（见图9）。

图9 楼层板各测量点弹性变形变化图

中间地板对应的测试点为1～3，变形结果分别为2.09 mm，2.32 mm，2.31 mm与仿真结果2.23 mm基本一致，永久变形约为0.2 mm，在允许范围内。

5 结论

本文利用Creo Simulate对扶梯楼层板的中间地板进行了有限元分析，得到了精确的应力分布和最大垂直位移，验证了各部件的强度和变形均满足要求。在此基础上对铝型材截面和不锈钢面板进行了优化设计，优化后总质量减少4.58 kg，实现了轻量化设计，对整个楼层板而言成本节约效果明显。最后，对楼层板进行了试验验证，经过测量点选取、记录初始读数、三次加载和卸载读数、数据处理等过程，验证了仿真的正确性，表明运用Creo Simulate对设计者改善产品结构，降低设计成本具有重要的参考作用。

参考文献：

［1］牛召平.自动扶梯和自动人行道楼层板安全性分析［J］.中国特种设备安全，2015，31（9）：1-2.

［2］秦乐.一例自动扶梯活动盖板保护装置的隐患分析［J］.中国特种设备安全，2016，32（7）：1-2.

［3］杨晓东.关于7.26扶梯事故的思考［J］.中外企业家，2016（9）：1-2.

［4］刘朝晖.基于Pro Mechanica的扶梯导轨支架结构分析与优化设计［J］.机电工程技术，2012，41（7）：233-236.

［5］北京兆迪科技有限公司.CREO2.0产品工程师宝典［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［6］TSGT7007-2016.特种设备安全技术规范—电梯型式试验规则［S］.