基于ANSYS的电梯轿架强度计算与分析

左亚军（日立电梯（中国）有限公司，广东广州511430）

基于ANSYS的电梯轿架强度计算与分析

左亚军
（日立电梯（中国）有限公司，广东广州511430）

针对电梯轿架结构强度的理论计算复杂和应力试验周期较长的问题，采用CAE仿真分析方法，结合ANSYSWorkbench有限元分析软件，对电梯轿架结构强度进行有限元分析计算，得到电梯轿架结构在各个运行工况下的应力分布状态和应力数值大小，并分析了其疲劳强度满足要求，确保了轿架结构强度的安全可靠性，为应力试验提供了可靠的参考依据。

电梯轿架；ANSYS；有限元分析；疲劳强度

0　引言

电梯轿架是电梯载荷的主要承载构件，既要支撑整个电梯各构件的重量，在电梯运行过程中还要承受各类工况载荷的作用，因此，轿架结构设计是否合理直接关系到电梯运行使用的安全性。

目前，在电梯轿架设计中常采用理论计算[1]和强度试验[2-3]等方法对轿架的强度进行校核，但这两种方法分别存在以下问题：（1）在理论计算方法中，不能对轿架整体结构进行受力计算，只能对单个零部件进行理论计算，且对部件进行了简化和假设，这样所得到的计算结果不够准确；（2）在强度试验中，其结果的准确性虽然较高，但应力试验需要花费较多的时间、人力和费用，造成开发周期较长和费用较高等问题。

因此，针对以上两个问题，在本文中以某种型号的无机房电梯轿架为例，采用CAE有限元数值模拟方法[4]，结合ANSYSWorkbench有限元分析软件对轿架结构强度进行分析计算，来验证电梯轿架结构设计是否满足强度要求，为后期的应力试验奠定基础，并可以减少应力试验次数，从而缩减轿架的开发周期和费用。

电梯轿架结构强度的有限元分析计算的基本过程如图1所示。

1　轿架有限元分析

1.1有限元模型

通过已建立好的Solidworks与ANSYSWork⁃bench无缝连接的协同环境，在Solidworks中直接启动ANSYSWorkbench并读取Solidworks中的轿架总装几何模型。

图1　轿架有限元分析

为了便于网络划分和求解计算，适当对轿架模型进行了简化处理，如：忽略了螺栓、铆钉等国标件，去除了导靴装配和反绳轮，且无轿顶、轿厢壁板、轿门和门机等部件。

在Workbench中对轿架几何模型进行处理后，根据实际情况采用2DShell单元和3DSolid单元划分网格建立轿架有限元模型（如图2所示），节点数约56万个，单元数约33万个。

图2　轿架有限元分析模型

1.2材料参数

在电梯轿架有限元模型中所用到的材料有Q235钢和天然橡胶，其力学性能参数见表1。

表1　材料性能参数

1.3接触定义

ANSYSWorkbench中共有五种接触类型，分别是：绑定接触(Bonded)、不分离接触(No Separa⁃tion)、无摩擦接触(Frictionless)、粗糙接触(Rough)和摩擦接触(Frictional)[5]。为了减少计算量，在本文中根据实际情况把轿架有限元模型中的接触关系简化定义为绑定接触(Bonded)或不分离接触(No Separation)，这两种接触类型均是线性行为，求解计算时仅需迭代一次即可完成计算，求解时间短，且能保证良好的求解计算精度。

1.4约束条件和载荷工况

1.4.1约束条件

轿架有限元模型的边界条件施加情况如下：

（1）在反绳轮轴的安装轴承处施加圆柱面约束，约束轴向、径向和切向的自由度；

（2）在导靴限位板和安全钳钳座的钳口处分别施加位移约束，根据实际情况分别约束X方向、Z方向的自由度。

边界条件的施加见表2和图3所示。

表2　边界条件

1.4.2载荷工况

由于轿厢壁板、轿顶、门机和轿顶电气箱等部件不是被考核和分析的对象，因此在模型中它们对轿架的作用直接以作用力的形式施加在相应的位置。

图3　载荷和约束条件

另外，随行电缆重量和补偿重量以集中力的形式施加在相应的位置，上轿底的载重以均布力的形式施加在前后钢板上，轿架自重的模拟施加一个重力加速度即可。

电梯在实际使用过程中，会承受各类工况的载荷，因此十分有必要对各种主要常见的工况进行有限元分析计算，得出应力分布状态和应力大小，在本文中选取了6个典型的工况来进行分析计算：（1）底层空载0%Load；（2）顶层满载100%Load；（3）顶层左偏载50%Load；（4）顶层右偏载50%Load；（5）顶层前偏载50%Load；（6）顶层后偏载50%Load。

2　计算结果及其分析

2.1有限元计算结果

有限元分析得到轿架结构在各个工况载荷下的应力结果及其分布云图如图4至图9所示。

图4　空载0%Load（底层）

图5　满载100%Load（顶层）

图6　左偏载50%Load（顶层）

图7　右偏载50%Load（顶层）

图8　前偏载50%Load（顶层）

图9　后偏载50%Load（顶层）

从图4至图9的轿架结构的应力云图中可以看出：

（1）底层空载时，由于整个轿架仍受到壁板、轿顶、门机、轿门及轿架自重的作用力，因此仍会产生一定的形变和应力；

（2）轿底架边梁悬挂补偿链和反绳轮安装处应力比较大；

（3）上轿底侧边框安装防振橡胶处、拼板中间位及拼板端部折弯角的应力较大；

（4）立柱中间部位和其下端连接板的折弯处受力比较大；

（5）斜拉杆和安装架连接处应力较大。

2.2结果分析

在电梯的运行中，常态影响因素将对轿厢部分的受载状态产生影响，进而形成复杂的交变载荷工况，因此疲劳强度将成为轿架应力分析的关

表3　有限元分析结果疲劳安全率

键考核指标。常态影响因素有以下三点：

（1）轿厢内负载(Load)的变化；

（2）不同提升高度时，电梯所配置的随行电缆、补偿链（缆）重量的变化；

（3）电梯运行过程中，电梯加减速度的变化和产生的振动。

整理出轿架结构各部件应力较大的解析结果见表3，可以看出各部件的疲劳强度均满足要求。

表3中的疲劳安全率Sf的计算规则[2]如下：

其中：σm为平均应力；σr为应力振幅；σw为疲劳极限；σT为真破断强度。

3　结论

本文针对电梯轿架强度的理论计算和应力试验中所存在的不足之处，采用有限元数值模拟方法，结合ANSYSWorkbench仿真分析软件，建立电梯轿架结构的有限元分析模型，模拟电梯在实际使用中可能遇到的各个载荷工况，分别计算分析出它们的应力大小和应力分布状态，确定关键受力点，并判断其疲劳安全率是否满足要求，保证了电梯轿架结构设计的安全可靠性，同时为应力试验中的应力测试点的选取提供了可靠的参考依据，并可有效地减少应力试验次数，从而缩减了电梯轿架开发的周期和费用。

［1］喻纯泽.电梯设计计算与实例［M］.廊坊：中国电梯杂志社，2011.

［2］肖永恒.电梯轿架强度的试验研究［J］.湖南工业大学学报，2012，26（3）：48-51.

［3］金龙，李宜燃，王敏.升船机承船厢结构有限元分析研究［J］.机电工程，2014（04）：466-469.

［4］刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程［M］.北京：科学出版社，2006.

［5］黄志新，刘成柱.ANSYSWorkbench 14.0超级学习手册［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

(编辑：阮毅)

The Strength Calculation and Analysis of Elevator Car Frame Based on ANSYS

ZUO Ya-jun
（HitachiElevator（China）Co.，Ltd.，Guangzhou511430，China）

To solve the problemsof that the elevator car frame structure strength theoretical calculation is relatively complex and the stress test period is long，using the analysismethod of CAE simulation，combining with ANSYSWorkbench finite element analysis software，obtained the stress distribution and stress values in various operating conditions by the finite elementanalysis on the elevator car frame，and analyzed its fatigue strength meet the requirements，ensuring the safety and reliability of car frame structural design，providing a reliable reference for the stress test.

elevator car frame；ANSYS；FEA；fatigue strength

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0039－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.009

2015－03－17

左亚军，男，1984年生，湖南邵阳人，硕士研究生，工程师。研究领域：电梯机械结构的设计开发与强度计算。已发表论文2篇。