自動扶梯桁架參數化有限元分析方法研究

吳海平，蔣杰，江葉峰，王水軍

(1. 杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310014； 2. 嘉興市特種設備檢驗檢測院，浙江 嘉興 314050)

0 引言

自動扶梯作為一種連續輸送人員上下并帶有循環運動梯路的固定電力設備，已在諸多領域得到普遍應用。自動扶梯制作工藝復雜，對力學分析需求巨大，尤其是其扶梯桁架安全性能分析直接影響自動扶梯的安全使用[1]。當前自動扶梯制造企業對產品的研發主要是根據客戶要求來設計和分析產品特性，進而系列化開發產品。這個研發過程較為被動，導致從產品開發初期就決定了產品研發周期的延長和成本的增加，企業本身對產品綜合性能缺乏主動與系統的了解。

計算機輔助工程技術(computer aided engineering，CAE)在產品研發過程中起到巨大的作用，近年來發展迅猛。企業可以應用CAE技術避免很多重復性的試驗，為產品的優化設計和高效性能提供精準保障。CAE技術已成為企業產品研發必不可少的工具。但CAE專業技術強，企業普通研發人員對軟件不能很好掌握，往往對產品CAE分析只能簡單分析或以外包方式交給專業分析人員。系列化產品的有限元分析外包會增加企業開發成本，并且專業分析人員對產品制造過程也無法了解透徹，這會影響產品分析結果的準確性[2]。

目前系列化開發產品是自動扶梯制造企業的主要生產方式。桁架作為自動扶梯關鍵構件，呈規律變化，故系列化桁架有限元分析過程的重復繁瑣工作既是企業須解決的難點，也是研究人員的重點。本文提出了一種運用Visual C++和有限元二次開發工具進行開發自動扶梯桁架參數化有限元分析構想。該方法將大大提高研發效率，降低產品開發成本。

1 桁架參數化

自動扶梯桁架作用于安裝和支撐自動扶梯的各個部件，承受各種載荷以及將建筑物兩個不同層高的地面連接起來，其桁架結構圖如圖1所示。自動扶梯桁架為金屬結構，采用角鋼、型鋼或矩形鋼管焊接而成(圖2)，并經過噴砂處理后再對桁架段整體熱鍍鋅。

扶梯有下列參數：扶梯提升高度；名義寬度通常為600mm、800mm和1000mm；額定速度一般<0.75m/s；傾斜角為27.3°、30°和35°。

圖1 桁架結構圖

圖2 桁架角鋼、型鋼、矩形、圓型鋼

從系列化開發角度出發，扶梯桁架參數化實現具有可操作性，扶梯可以分為3種典型，開發傾斜角不變，提升高度、名義寬度、材料變化的同系列扶梯可根據典型桁架來構成，扶梯額定速度和最大輸送能力以邊界條件參數化形式實現。其他參數可根據這3種典型實現。以傾斜角30°扶梯、提升高度4m、名義寬度800mm, 材料為方形鋼為例：1) 設計人員要開發提升高度為6m扶梯，設計人員只需在4m扶梯基礎上，保證銜接部位不變，只需增加桁架可變單位支架(圖1)數量來提升高度，進而開發出同系列扶梯；2)設計人員要開發寬度為1000mm, 提升高度6m扶梯，那只要在增加可變單位支架數量同時，改變左右兩邊連接梁長度；3) 設計人員要開發寬度為1000mm, 提升高度為6m, 材料為角鋼扶梯， 支架個數、連接梁長度、單元材料都需改變。企業系列化開發扶梯思路可為參數化有限元分析實現提供參考依據。

2 有限元參數化實現過程

2.1 ANSYS二次開發

APDL(ANSYS參數化設計語言)是一種解釋性文本語言，也是ANSYS最簡單有效的二次開發工具。APDL可將ANSYS命令流以宏形式組織，開發出參數化的用戶程序，以實現分步驟有限元分析的全過程，還可在ANSYS中定制分析導航工具條、一系列參數化對話框、三維模型、材料定義、網格劃分、載荷和邊界條件、分析控制和求解以及參數化的后處理等。

VC是一種高效的編程語言工具。ANSYS程序要被VC+ +啟動，有WinExec、ShellExecu te和CreateProcess 多個函數可以使用。WinEexec()函數的作用是在應用程序中運行另外一個程序。其原型如下：

UINT WinExec(

LPCSTR lpCmdLine，//程序路徑

UINT uCmdShOW //窗口顯示的方式)；

函數創建一個進程，去執行其他程序，它可以指定進程的安全屬性、繼承信息和類的優先級等，用VC可開發集成ANSYS分析導航操作界面。ANSYS與VC的數據接口方式為批處理。APDL宏中存放了命令流語句，APDL命令流語句可直接被VC調用。通過命令由VC直接調用參數化的ANSYS命令[3-4]。

2.2 有限元參數化實現

根據以上分析特點，可以將桁架有限元作參數化分析，參數化分析流程如圖3所示。其實現流程：1) 通過界面參數化對話框輸入幾何參數和分析參數；2) VC生成APDL可執行文件；3) VC調用APDL進行有限元分析；4) 生成的文件存入數據庫供用戶查看。針對本桁架參數化分析而言，選擇要分析的桁架APDL模版文件，輸入可變量數據，生成新的APDL命令流文件，用VC調用ANSYS進行有限元分析，分析結果存入數據庫，供界面調用[5-9]。

圖3 參數化分析流程圖

3 應用實例

本文以浙江省制造業信息化與智能制造為背景，結合某地扶梯企業生產模式，開發出桁架參數化分析平臺，如圖4所示。以桁架分析為例，系列化同型號桁架分析可作參數化設置，設計人員只需輸入相應數據就可獲得想要的結果。

圖4界面中先創建項目編號、項目名稱，新建文件名，輸入傾斜角，選擇典型模版，型鋼、角鋼及圓鋼材料參數的改變以及彈性模量、泊松比參數的改變。提升高度可直接輸入，也可輸入單位支架個數來改變。除銜接部位外，上下端部長度也可變化。參數輸入完成后生成CAD模型，在界面上點擊執行計算，CAD模型以IGES格式導入ANSYS，進入ANSYS界面作有限元分析。ANSYS中定制了簡單工具條和分步驟工具條(圖5和圖6)以便調整有限元模型。有限元分析計算成功后，分析完成結果文件存入數據庫，在平臺上可以查看各個應力云圖和變形圖(如圖7、圖8、圖9所示)，也可查看系列化的對比信息。

圖4 桁架有限元分析界面

圖7 第三強度理論的等效應力云圖

圖5 簡單工具條

圖6 分步驟工具條

圖8 第四強度理論的等效應力云圖

圖9 桁架強度分析y方向位移云圖

4 結語

本文運用編程軟件與有限元APDL工具，開發了自動扶梯桁架參數高效分析平臺。運用此平臺，用戶只需輸入所需的參數，平臺執行簡易化操作就可以得到桁架結構有限元分析結果數據，使得有限元分析操作不再是專業CAE分析師的專業行為，一般設計研發人員也可從容上手。本論文所提方法的優點在于，既保證有限元分析結果又提高了設計計算的準確度，增強了產品的可靠性；同時簡化了分析過程，避免了大量重復性工作，加快了分析速度，縮短了產品的研發周期。