基于Abaqus的电梯轿架有限元分析与结构优化

许志强

（广州广日电梯工业有限公司，广东广州 511447）

0 引言

电梯轿架是电梯轿厢结构的骨架，是轿厢的主要承力结构，为保证轿厢在电梯各种工况条件下安全运行，要求轿架结构部件接触应力小于材料许用应力，因此必须对电梯轿架的力学性能进行可靠分析。但实际中轿架是由多部件组合并与曳引钢丝绳相连组成一个升降平台，为空间静不定结构，使用传统理论计算公式需进行大量假设与简化，且只能针对较为单一部件进行，所得结果不够准确，因而行业内对其选取的安全系数均较大，导致轿架自重大，成本较高，不利于节能环保要求。因此，如何解决轿架安全与降本、减重之间的矛盾，是电梯行业普遍关注的问题。

有限元仿真分析技术的发展为解决这一问题提供有效途径。目前有限元分析在电梯轿架开发、设计中对结构进行力学分析方面使用已较为普遍。其优势在于既可对轿架结构整体受力分析得出较准确结果；又可以通过多种优化方案而不建立实际样机改进产品性能，提高产品质量并完成轿架轻量化设计目标。本文作者运用Abaqus有限元分析软件，对某电梯轿架进行静强度计算，并进行实际工况下轿架强度实验测试，验证模型仿真结果的准确性，为轿架实际优化改进提供可靠依据。

1 有限元计算模型建立

1.1 模型建立

运用SolidWorks软件建立轿架三维模型，大小与尺寸严格按照图纸尺寸1:1绘制。对不重要的圆角、螺栓、铆钉在建模时进行简化处理[1]。SolidWorks中建模完成后将模型以*.x_t文件格式输出，利用Abaqus提供的数据接口，以装配体形式导入Abaqus。

轿架结构较为复杂，为多部件组合而成，完全以实体模型进行有限元分析较为困难，且全部为实体模型仿真分析计算量大，分析周期长。因此，模型导入Abaqus后，在Abaqus中对模型再次简化处理：（1） 轿架组成部件多为钣金件与型材，厚度方向尺寸远小于另外两维方向尺寸，且垂直于厚度方向的应力基本可以忽略，因此对轿架各钣金件进行壳体化处理；（2）斜拉杆为二力杆，对其桁架处理；（3）反绳轮、安全钳、防震橡胶、斜拉杆座、导靴以实体模型进行分析；（4）对受力不关注部件如导靴、安全钳、反绳轮、轴承、轴作刚体设置。简化处理后的模型如图1所示。

图1 简化处理后模型图

1.2 材料属性及网格划分

电梯轿架各部件均为Q235材料，轿底防震橡胶为天然橡胶，材料相关特征参数如表1所示。

表1 材料属性

壳体化部件采用壳单元进行模拟，壳单元选用Abaqus/Standard中的线性四面体S4R，实体单元选用Abaqus/Standard中的二次四面体C3D10。关键节点部位单元大小约为5mm，轿厢底板、各边框、C型筋、槽钢网格大小为10mm，下横梁槽钢采用两边细密中间稀疏网格。轿架结构网格总数为434 768个，节点总数为596 567个。

1.3 接触定义

为减少计算量，将Abaqus轿架装配体Merge成1个Part1，Part1中不分离接触即可不再进行接触定义；因部件进行壳体化，因此对分离接触采用Tie接触定义，并定义壳体化后两接触面的实际距离。

1.4 约束条件及载荷施加

坐标系约定：选取坐标系为标准笛卡尔坐标系，以轿架宽度方向为X方向，以轿架深度方向为Z方向，轿架高度方向为Y方向。

实际轿架依靠安装于上横梁的反绳轮在曳引绳牵引下沿Y轴方向上作垂直运动，因此电梯静载工况，在反绳轮与曳引绳接触的下圆柱面施加约束，约束反绳轮Y方向位移。

安装于上横梁两侧的上导靴、两安全钳底座处的下导靴，与电梯导轨凸出相配合，约束了轿架在X、Z方向的位移和转动，实现对轿架的导向作用，因此，在导靴与导轨配合的钳口面施加X、Z方向的位移和转动约束。

将轿架自重438 kg，以体力的形式赋予Part1。因轿厢其他部件不是主要受力构件不作为分析对象，因此将轿厢其他部件对轿架的作用力按实际情况施加在与轿厢底板相接触的区域。

2 分析工况

轿厢轿架在楼宇内主要起着运送乘客或货物到达指定楼层，在实际使用过程中存在空载、偏载、满载甚至超载的情况。在轿厢装载条件下，轿厢装有125%额定载荷（超载）时为轿架静态最不利工况[2]。该文选取125%额定载荷（超载）轿架位于最顶层时进行研究计算轿架的应力分布与大小。

3 有限元计算结果与分析

3.1 塑性材料屈服准则（米塞斯（Von.Mises）屈服准则）

材料的屈服表现为显著的塑性变形，当电梯轿架部件发生塑性变形将影响电梯正常工作及舒适性。Abaqus分析结构静强度根据Mises应力大小（等效应力），依据米塞斯（Von.Mises）屈服准则判定部件是否发生塑性变形。米塞斯（Von.Mises）屈服准则为在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张力的第二不变量达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。即

用主应力表示为：

式中：σs为材料屈服强度，K为材料的剪切屈服强度。

与等效应力σˉ（Mises等效应力）比较，可得：

因此，米塞斯屈服准则也可表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。而根据第四强度理论，Mises应力（σˉ）是作为材料处于复杂应力状况时判定材料是否进入塑性的一个综合指标，即得：σˉ＜σs时钢材处于弹性阶段，σˉ≥σs时钢材处于塑性阶段，其中σs为钢材的屈服强度[3]。

3.2 轿架有限元计算结果与分析

Abaqus有两个主要分析模块：Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit，Abaqus/Standard是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。Abaqus/Explicit是用于特殊目的分析模块，它采用显式动力有限元列式，适用于像冲击和爆炸这类短暂，瞬时的动态事件[4]。文中研究轿架静力问题，因此选用Abaqus/Standard模块进行分析。轿架仿真计算结果应力云图如图2所示。

图2 轿架应力云图

对该电梯架构125%载荷条件下的强度仿真计算可以看出：

（1）上轿底左侧边中间位置与防震橡胶连接处第367 727单元应力值为296.2 MPa、第368 209单元应力值为275.2 MPa、第367 728单元应力值为255.1 MPa，此3个单元应力值超过Q235材料屈服强度值235 MPa，但该处最大值超过屈服极限不大且远小于抗拉强度，加之面积非常小、结构整体主要Mises应力值在0～40 MPa之间，取安全系数为4，许用应力为58.75 MPa，参照构架强度设计标准，并采用米塞斯（Von.Mises）屈服准则对构架的静强度进行评定，即计算工况下构架构件整体等效应力(Mises应力)小于许用应力，则构架静强度满足要求，因此在此工况下轿架强度满足安全要求。

（2）轿架结构中上轿底与轿架装卸重量通过防震橡胶传递至下轿底，计算结果中上轿底与防震橡胶连接处应力集中较为明显，虽满足强度安全要求，但因已有区域出现超过235 MPa，因而局部区域应做加强；各横梁与边框安全余量均较大，可进行轻量化优化。

4 应力测试实验

在实际样梯轿架上选取6个应力变化平缓区域采用电阻应变片进行实际应力测试，轿底部分选取4个，上横梁选取2个。采用砂纸清除构件表面的油漆、氧化皮、污垢等覆盖物；用酒精擦洗干净后，将电阻应变片贴于构件表面，并将应变片通过屏蔽线接入数据采集仪，测试选用1/4桥法电路。在实际样梯上施加同Abaqus模型计算工况大小和方向相同的力，通过Jmtest动态信号测试分析系统采集待测点电阻应变片数据。

电阻应变片测量法采集的是构件在外力作用下电阻应变片粘贴表面的应变量，由虎克定律即可求得构件应力σ：

式中：E为构件材料的弹性模量，ε应变。

将6个采集点的实测数据按式（4）计算应力值，与有限元仿真计算应力值对比，如表2所示。

表2 125%额定载荷下实测与仿真计算结果对比

实测结果与仿真计算结果对比表明，实验结果与计算结果误差在±10%左右，误差原因主要在于应变片粘贴质量、实验施加载荷难以做到完全均匀分布而产生[5-6]，但是从结果来看，实验值与仿真计算值变化趋势一致，误差在可接受范围内，因而仿真可准确地模拟实际状况，仿真分析结果可信，可用于轿架结构强度分析。

5 优化设计与分析

根据有限元计算结果，上轿底两侧与中部防震橡胶连接处局部应力较大，超过材料屈服极限，存在一定安全风险，做加强筋进行局部加强处理。考虑减重节能和降低成本，对安全余量大的部分进行轻量化设计，主要从部件厚度、形状方面综合考虑[7]。优化设计方案如表3所示。优化后轿架结构仿真分析应力云图如图3所示。

表3 优化设计方案

图3 优化后轿架应力云图

（1）优化后整个轿架结构重量减轻24.5 kg，轻量化5.59%；（2）优化设计后轿架结构在静力最不利125%额定载荷条件下，原薄弱区域应力值由原来的最大296.2 MPa、整体范围60～220 MPa降至最大58.86 MPa、整体范围0～30 MPa；（3）原轿架结构最大应力值由原来的296.2 MPa降至222.8 MPa，最大应力值小于材料屈服强度，整体应力范围0～30 MPa，优化效果明显。

6 结论

研究轿架结构的有限元建模与分析方法，对轿架静载最不利工况进行强度分析、实际应力实验测试，在此基础上对该轿架结构优化与轻量化设计，得出以下结论：

（1）运用Abaqus对电梯轿架进行有限元仿真分析，得出了轿架最大应力位置与区域、结构应力分布状态与规律；并与实际应力实验测试结果对比，得出有限元模拟结果可准确反映轿架实际受力状态。

（2）基于轿架的有限元分析计算结果与实际应力测试实验结果，以结构安全、降低成本与轻量化考虑进行结构优化，对轿架应力集中且过大的侧边框进行加强、对安全余量较大的上横梁和槽型横梁进行轻量化改进。优化后轿架结构应力最大值由原来的296.2 MPa降至222.8 MPa；质量减轻24.5 kg，轻量化5.59%；有效提高轿架的安全性能且降低轿架的自重，实现了轿架安全与成本的合理平衡，为轿架开发和改进提供实际指导和理论依据。