基于APDL的船用電梯井架參數化建模與仿真

韋 磊，王 駿

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

船用電梯由于裝備位置的特殊性，不僅給安裝帶來了挑戰，而且給日常的維護、檢修等帶來不便[1-2]。本文充分考慮安裝環境因素，設計出一種用于船用電梯的井架布置方式，方便在狹小的船體井道內布置電梯。該船用電梯采用液壓缸驅動、鋼絲繩牽引提升轎廂實現人員和設備的垂直運輸，具有很高的空間利用率和安全性。固定在船體井道內的井架承載轎廂的重量，其安全性至關重要，因此需要對其結構強度等進行校核。由于井架內部型材具有不規則的橫截面，且井架內部空間布置結構復雜，常規的理論計算難以對井架進行準確的力學分析，本文通過有限元軟件ANSYS進行井架的參數化建模與分析[3-4]，提高了計算效率，同時能夠方便對船用電梯井架進行進一步的設計優化。

1 船用電梯井架受力分析

1.1 船用電梯結構布置

船用電梯縱向布置圖如圖1所示，主要包括縱梁、橫擋、轎廂、液壓缸和連接件。其中縱梁豎直平行布置在船體井道內，通過若干個螺釘與船體固定。橫擋均垂直布置在2根縱梁之間，通過連接件及螺釘緊固件與縱梁固定，連接件多為L形連接板。液壓缸固定在縱梁的底部位置，通過驅動鋼絲繩從而間接地帶動轎廂進行升降運動。船用電梯橫向布置圖如圖2所示，圖1中的縱梁和橫擋共同組成圖2所示的固定架，固定架上通過支梁固接有2根豎直方向的T形導軌，電梯固定架內側為轎廂，轎廂通過T形導軌進行導向。

1-縱梁 2-連接件 3-橫擋 4-轎廂 5-液壓缸圖1 船用電梯縱向布置圖

該船用電梯的布置方式優勢明顯，主要包括如下方面：通過液壓系統驅動的船用電梯不需要在固定架頂部布設專門的機房，節約空間和成本；不需要設置對重裝置，節約了空間，提高了船體的利用率；液壓系統控制的轎廂動力平穩，相對于一般的調速電梯更具舒適性，能夠滿足船體本身存在的縱橫搖前提下的運行要求；此外，載重量大、安全性高、噪聲小也是其主要優勢。

船用電梯的固定架、支梁和T形導軌是船用電梯的主要承載部件，需要對其進行力學分析，計算其在滿載極限條件下的受力情況。為敘述方便，將固定架、支梁、T形導軌組成的結構稱為井架。

1.2 船用電梯井架極限載荷計算

如圖2所示建立平面直角坐標系，其中x軸為2根T形導軌的對稱線，y軸為2根T形導軌的中心線。井架所受的外載荷是通過轎廂上的導靴傳遞給T形導軌的，即井架所受的外載荷點為轎廂上4個導靴與T形導軌的接觸點。假設轎廂的幾何中心點、重心為同一點C，轎廂的懸掛點為S。定義各參數的表達含義如下：P代表轎廂質量，M代表轎廂額定載重量，Dx、Dy分別代表轎廂的凈深和凈寬，h代表轎廂上下導靴之間的豎直距離，l代表導軌支架之間的水平距離，d代表轎廂懸掛點到T形導軌的垂直距離，k1代表轎廂運行時的沖擊系數。根據GB21240-2007可知，轎廂內額定載荷M在最不利的情況下均勻布在3/4的轎廂面積上，因此轎廂載荷沿x軸和y軸方向有2種極限載荷分布，分別采用2種極限載荷分布下的重心的橫坐標和縱坐標定義為極限載荷分布重心點Q。設點C、點S、點Q的坐標分別為C(Xc，Yc)，S(Xs，Ys)，Q(Xm，Ym)。

圖2 船用電梯橫向布置圖

圖2中，1為船體，2為固定架，3為轎廂，4為支梁，5為T形導軌。

轎廂通過4個導靴提供支撐，在T形導軌上滾動，實現上下運動。2根T形導軌共4處受到轎廂上導靴的外載荷，T形導軌的受力分析圖如圖3所示。其中圖3(a)為轎廂上側2個導靴與T形導軌接觸位置T形導軌的受力分析圖，圖3(b)為轎廂下側2個導靴與T形導軌接觸位置T形導軌的受力分析圖。

圖3 T形導軌受力分析圖

轎廂運行時，T形導軌轎廂導靴接觸位置所受x方向、y方向的作用力大小分別為：

(1)

(2)

代入電梯系統參數，其中P=400 kg，M=400 kg，h=2 515 mm，k1=1.2，點C、點S、點Q的坐標分別為C(475，0)，S(0，0)，Q(593.75，150)，轎廂在極限載荷分布下T形導軌的受力為Fx=999.5 N，Fy=280.6 N。井架的結構強度和位移變形能否滿足要求需要通過ANSYS軟件進一步驗證。

1.3 船用電梯橫擋滑移安全系數校核

當橫擋承受石材重量時，橫擋可能會往下滑移，產生危險，因此需要進行校核，保證安全性。對于普通螺栓連接，應保證連接預緊后，結合面間所產生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。假設各螺栓所需的預緊力均為F0，螺栓數目為z，縱向總載荷為F，接合面摩擦系數為f，接合面數為i，防滑系數為K，則需滿足條件為：

fF0zi≥KF

(3)

由于橫擋兩端分別通過連接件與立柱連接，兩端連接在立柱上的螺栓數目均為2，此處取z=2，石材的厚度為10 mm，密度為2 600 kg/m3，橫擋所受的力(考慮上端石材體積最大的情況)最大為627.4 N，每端承載313.7 N，此處取F=313.7 N，連接板與立柱通過螺栓連接預緊，結合面為連接板與立柱的接觸面，此處取i=1，結合面摩擦系數取f=0.17，防滑系數取K=1.3。由此，橫擋不發生下滑所需要的預緊力F0≥1 199.4 N。

普通安裝工人以30 kg的力采用呆板手擰緊螺栓，力臂取為15d1，其中d1為螺栓的直徑，取為0.01 m，則力矩為：T=44.145 Nm。擰緊力矩系數(無量綱)K1取為0.2，則普通安裝工人可以提供的擰緊力為：F1=T/(K1d1)=22 072.5 N。安全系數為K2=F1/F0=18.4≥1.25。所以在承受石材重量的情形下，橫擋不會向下滑移，產生危險。

2 船用電梯井架ANSYS參數化設計語言(APDL)仿真

2.1 APDL有限元模型建立

船用電梯井架的導軌需要承載轎廂的側向力，橫擋需要承載石材的重力。因此需要校核鋁型材框架的位移和應力是否滿足要求，下面在轎廂承載極限載荷工況下對電梯井架進行校核。

通過自下而上的建模方法建立井架的有限元模型。定義井架的參數值，便于對各參數進行修改。使用命令K定義井架上的關鍵點，使用命令LSTR定義井架上的直線，井架上需要定義的直線較多，通過使用*do和*enddo命令執行循環，以減少輸入的命令行數。井架內各零部件均選用Beam188單元，該單元為二節點單元。使用MP命令定義線性材料屬性，包括彈性模量、泊松比和密度，其中T形導軌為鋼結構，其余井架部分均為鋁合金結構。

以上通過創建井架關鍵點生成直線的方式對梁長度方向進行了定義，下面需要創建梁橫截面。井架內部一共包含4種梁橫截面形式，包括T形導軌的T形橫截面、支梁的U形橫截面和立柱、橫檔的不規則橫截面。其中T形橫截面、U形橫截面均在ANSYS軟件11種常用的橫截面庫中，通過使用SECTYPE命令可以直接定義這2種梁橫截面并關聯截面的ID號，再使用SECDATA命令可以定義截面的幾何尺寸，生成面網格模型。立柱、橫檔的梁截面需要自定義，在ANSYS軟件中創建截面的2D模型并完成面網格劃分，使用SECWRITE命令保存到ANSYS軟件的工作目錄下，這2種截面即可使用SECREAD命令調用。使用SECOFFSET命令可對截面位置進行橫向偏移，4種橫截面生成的面網格模型如圖4所示。

圖4 橫截面面網格模型

使用LATT命令將單元屬性、材料屬性、橫截面的網格模型與未劃分網格的井架線實體相關聯，而后使用LESIZE和LMESH對井架各梁單元軸向的線實體進行網格劃分，生成井架的體網格模型，即有限元模型，有限元模型建模過程如圖5所示。

圖5 有限元模型建模過程

2.2 有限元模型載荷施加與求解

船用電梯井架底部橫梁、頂部橫梁、立柱分別與船體之間通過螺釘固定，使用ESEL命令選擇需要施加約束的單元，使用D命令約束單元的自由度。井架底部橫梁采用完全約束，頂部橫梁的約束點共有4處，坐標分別為A1(a/2，b/2，h1)、A2(a/2，-b/2，h1)、A3(-a/2，b/2，h1)、A4(-a/2，-b/2，h1)，井架立柱的約束點共有4處，坐標分別為A5(-a/2，b/2，1 265)、A6(a/2，b/2，2 525)，A7(a/2，-b/2，3 780)，A8(-a/2，-b/2，3 780)。其中a=1 640 mm，b=1 600 mm，分別為井架的長和寬，h1= 7 105 mm，為井架的總高度。

井架所受外力包括轎廂作用在T形導軌上的側向力和裝飾石材自重作用在橫梁上的壓力，使用ESEL命令選擇需要施加載荷的單元，使用SFBEAM命令對井架上的梁單元施加載荷。載荷施加完畢，使用SOLVE命令求解，使用/POST1命令進入通用后處理。

使用NSEL命令選擇頂部橫梁和立柱的約束點，使用PRRSOL命令可以得到節點處的支反力，即螺釘固定端所需要的力。約束點A1約束反力為Fx=49.215 N,Fy=623.84 N,Fz=615.43 N，合力為877.7 N。約束點A2約束反力為Fx=74.716 N,Fy=147.14 N,Fz=366.61 N，合力為402.04 N。約束點A3約束反力為Fx=123.72 N,Fy=589.01 N,Fz=805.02 N，合力為1 005.14 N。約束點A4約束反力為Fx=-72.495 N,Fy=128.26 N,Fz=368.52 N，合力為396.88 N。約束點A5約束反力為Fx=0.663 N,Fy=-35.685 N,Fz=855.41 N，合力為856.15 N。約束點A6約束反力為Fx=-167.31 N,Fy=-111.55 N,Fz=827.67 N，合力為851.75 N。約束點A7約束反力為Fx=12.319 N,Fy=-705.62 N,Fz=993.45 N，合力為1 087.7 N。約束點A8約束反力為Fx=-39.09 N,Fy=-682.49 N,Fz=993.45 N，合力為1 205.9 N。因此鋁型材框架固定點最大受力處為框架整個高度的中間部位，最大力為1 205.9 N，如考慮最小1.25的安全系數，建議固定點膨脹螺栓處的受力需大于1 500 N。如適當增加框架的固定點，則以上受力會相應減小。井架的位移和應力最大點均在橫檔上，為顯示方便，僅顯示橫擋和立柱的位移和應力云圖如圖6所示，最大位移達到1.497 mm，最大應力達到18.5 MPa，因此井架能夠滿足承載要求。

圖6 仿真結果

3 結束語

本文設計出了一種空間利用率高的用于船用電梯的井架布置方式，得到井架所受的極限載荷，對橫擋的滑移安全系數進行校核，保證井架型材連接的安全性。 建立了基于APDL的井架參數化有限元模型，得到井架側面的固定螺釘所需的約束力以及井架的最大位移和應力，為井架的進一步設計優化提供了理論參考。