電梯層門機械強度有限元分析

2021-01-19 電梯工業雜誌


摘要：本文通過研討了對電梯層門進行基於有限元的應力分析，進行機械強度驗算。參照分析結果，根據國標GB7588-2003，對電梯層門的結構和材料進行分析對比，得出符合國標要求的層門材料及結構，以期改善電梯安全性能。

關鍵詞：層門、有限元分析、屈服應力、形變


隨著社會的發展和科技的進步，電梯已進入日常工作生活，並成為現代物質文明的一個標誌。現代化電梯的設計，不僅要求其在結構上滿足強度要求，保證客戶安全，而且在特性、功能上也要滿足客戶的個性化需求，儘量做到盡善盡美[1]。

現代力學、計算數學以及計算機技術在硬、軟體方面的發展提高，使得有限元方法無論是在理論拓展方面還是在工程應用方面都取得了巨大進步。在工程結構分析中，有限元方法已經成為應用最廣泛、最有效的數值方法之一，一些通用的或者專用的有限元軟體也相繼開發並實際投用[2]。文章以電梯層門有限元分析為例，描述有限元方法在電梯行業的推廣應用，以及對電梯結構分析的促進提高。

一、模擬計算過程

電梯層門作為電梯層站的重要組成部分，在GB7588-2003中對電梯層門及其門鎖在鎖住位置的機械強度有如下要求：用300N的力垂直作用於該層門的任何一個面上的任何位置，且均勻地分布在5cm²的圓形或方形面積上時，應滿足：

a)無永久變形；

b)彈性變形不大於15mm；

c)試驗期間和試驗後，門的安全功能不受影響[3]。

1、規格參數

1）水平中分兩扇滑動門，開門淨尺寸900mm，開門淨門高2100mm，單塊門板的尺寸為寬475mm，高度為2115mm，豎直加強筋寬度為120mm；

2）門板結構為兩側封頭折彎中間加一根豎向加強筋的形式；

3）門板材料採用冷軋板，加強筋採用冷軋板；

4）冷軋板參數取彈性模量（Young's Modulus）2.0E+11 Pa，泊松比（Poisson's Ratio）為0.3，體彈性模量（Bulk Modulus）取1.667E+11 Pa，剪切模量（Shear Modulus）取 7.692E+10 Pa，極限屈服強度Q235MPa。

2、模型建立

利用三維軟體Ansys對電梯層門進行建模，參數如上所述，得到圖1模型。

圖1 層門三維實體模型

3、有限元仿真計算

計算參數及網格劃分：

1）門板厚度為1.2mm，加強筋厚度為1.2mm；

2）加強筋和門板接觸簡化為Bonded接觸，滑塊和門板接觸簡化為Bonded接觸；

3）滑塊採用厚度為3mm鍍鋅板；

4）支撐設置簡化為封頭面固定，如圖2所示；

5）外部載荷添加，依據國標試驗條件，在5cm²的方形上加載300N的垂直力；

6）外部載荷位置為門板高度1000mm，門板折彎邊緣與加強筋之間最薄弱處，如圖2所示；

圖2 層門固定於受力位置

7）網格劃分採用計算比較精準的六面體網格，利用掃掠進行劃分，網格參數具體設置見表1，網格質量見表2和圖3所示。

表1 Ansys網格參數設置

表2 網格劃分質量統計

圖3 網格劃分質量統計

通過Ansys Workbench仿真模塊計算，得到如下結果：

1）應力雲圖如圖4所示。

圖4 應力雲圖

2）變形雲圖如圖5所示。

圖5 變形雲圖

二、結果分析

1、應力分析

如圖4所示，有限元計算結果雲圖顯示，在規定載荷下，門板最大應力區域平均為225MPa，低於Q235冷軋板的屈服極限235MPa，符合設計要求。

2、變形量分析

如圖5所示，有限元計算結果雲圖顯示，在規定載荷下，門板的最大變形量為4.79mm，在允許範圍15mm以內，此種情況下的設計合格。

3、計算結論

此電梯廳門符合GB7588-2003對廳門門板機械強度的要求。

三、改進方案及模擬計算

1、改進方案一

加強筋的寬度由130mm寬度增加到150mm寬度。相通載荷條件下，模擬計算應力雲圖如圖6所示，形變雲圖如圖7所示。

由計算結果可知，加強筋加寬之後最大應力區域平均由225MPa減小到185MPa，最大變形量由4.79mm下降到4.15mm。層門的機械強度有一定增強。

圖6 改進方案一應力雲圖

圖7 改進方案一形變雲圖

2、改進方案二

改變門板厚度，將門板厚度1.2mm修改成1.5mm，整體增加門板強度。通過模擬計算得到應力雲圖如圖8所示，形變雲圖如圖9所示。

圖8 改進方案二應力雲圖

圖9 改進方案二形變雲圖

由計算結果可知，將門板厚度1.2mm加厚至1.5mm之後，最大應力區域平均由225MPa減小到了145MPa，最大變形量由4.79mm下降到了3.05mm。層門的機械強度有很大的增強[4]。

四、結論

通過有限元分析計算可以知道，電梯層門結構的機械強度受到門板材料和加強筋結構和尺寸的影響。當門板寬度達到475mm，加強筋寬度為130mm到150mm時，門板和加強筋材料採用1.2mm厚度的Q235冷軋板，在常用門板結構中是能達到國家標準要求的。

合理的布置加強筋能有效改善門板的受力情況。在門板受力時，應力分布和形變由受力點向周圍擴散，在遇到有加強筋或者折彎處時，應力圈和形變圈會向內收縮。電梯門板寬度增加時需要合理布置加強筋並且增加門板厚度。


參考文獻

[1] 浙江省特種設備研究院.《電梯相關法規及標準彙編》[M].2014.6。

[2] GB 7588-2003《電梯製造與安裝安全規範》[M]，2003。

[3] 中國機械工程學會，中國機械設計大典編委會，北京英科宇科技開發中心.《機械設計手冊》[M].北京，電子工業出版社，1021-1024。

[4] 甘霖，龍奎. 《SolidWork2011中文版產品造型與鈑金設計典型範例》[M].北京，電子工業出版社。


作者：劉萬兵、許小明、計麗萍

單位：恆達富士電梯有限公司


來源：《電梯工業》雜誌2018年12月 第114期

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