电梯有限元分析的主要方向

电梯CAE仿真分析的必要性及主要方向电梯在人们的生产与生活中起着重要的作用，随着高层建筑的不断出现，电梯被广泛使用，同时电梯事故也频频发生，国家质检总局已将其列为重点检查的特种设备。根据电梯运行过程中各组成部分所发挥的作用与实际功能，可以将电梯划分为八个相对独立的系统。电梯八个系统的功能及主要构件与装置电梯系统功能主要构件与装置曳引系统输出与传递动力，驱动电梯运行曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮等导向系统限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作上、下运动，承受安全钳工作时的制动力轿厢（对重）导轨、导靴及其导轨架等轿厢用以装运并保护乘客或货物的组件，是电梯的工作部分轿厢架和轿厢体门系统供乘客或货物进出轿厢时用，运行时必须关闭，保护乘客和货物的安全轿厢门、层门、开关门系统及门附属零部件重量平衡系统相对平衡轿厢的重量，减少驱动功率，保证曳引力的产生，补偿电梯曳引绳和电缆长度变化转移带来的重量转移对重装置和重量补偿装置电力拖动系统提供动力，对电梯运行速度实行控制曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等电气控制系统对电梯的运行实行操纵和控制操纵箱、召唤箱、位置显示装置、控制柜、平层装置、限位装置等安全保护系统保证电梯安全使用，防止危及人身和设备安全的事故发生机械保护系统：限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置等电气保护系统：超速保护装置、供电系统断相错相保护装置、超越上下极限工作位置的保护装置、层门锁与轿门电气联锁装置等目前，国内的电梯设计法规或规范，如GB/T7588-1995，仅规定了电梯及其安全装置的部分重要设计指标，工程师常常采用理论计算和强度试验等方法对结构强度进行校核，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；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。ANSYS是美国大型通用有限元分析软件，它集结构、流体、电磁于一身，能为电梯的安全和舒适性设计提供完整的解决方案。目前电梯的CAE仿真分析热点主要体现在以下几点。1）电梯结构的强度、刚度问题：电梯在设计的过程中，安全性是考虑的最重要的因素。a)主机承重梁的强度、刚度分析b)曳引轮的强度、刚度分析c)导靴滚轮的受力分析d)轿架的强度、刚度分析2）电梯的振动问题：电梯在运行过程中，会引起各方面的振动。评估电梯的振动特性是电梯设计中非常重要的方面。ANSYS软件具有完备的动力学分析功能，可以计算结构在各种工况下的振动响应。a)各种工况下电梯轿架的模态分析b)各种工况下系统的谐响应分析3）电梯的散热问题：电梯中包含大量的电子设备，这些设备在工作中温度会升高，从而引起失效。所以在设计过程中需要考虑过热的情况。ANSYS软件有极为出色的散热分析以及耦合场计算能力，可以求解结构的温度分布以及由于温升带来的热变形和热应力问题。a)控制柜、变频器的散热分析b)曳引机散热分析及散热结构设计4）高速电梯的气动性问题：电梯速度的提高带来了一系列需要解决的技术问题，在高速电梯运行时，气体在瞬时被急剧压缩，甚至会产生压力波。同时，箱体与井道之间的缝隙处的气体，由于流动面积的突然缩小，相对于箱体的流动速度便会突然增加，会产生很大的气动阻力，甚至在箱体上下游处可能会出现分离和旋涡，这将直接影响到箱体的气动阻力和气动噪音，并导致轿厢振动，除了增加载荷外，对电梯运行的安全性和乘客的舒适性也会产生影响，通过ANSYSCFD分析对电梯外形（包括整流罩）进行优化分析，达到降低阻力、减噪的效果，并有助于电梯轻量化设计。a)轿厢气动性能研究与优化（研究气动力、压差阻力、气动噪音、隧道效应）b)高速电梯气动外形优化及井道优化5）永磁同步电机的振动、噪声问题：永磁同步电机是电梯驱动方式的主要发展方向，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点，是先进生产力的具体体现。因此，永磁同步电动机振动与噪声特性进行研究具有重要的现实意义。ANSYS最大的特点之一就是采用统一的Workbench平台，能进行结构、流体、电磁的多物理场耦合分析。永磁同步电机的振动与噪声分析流程如下：通过ANSYSMaxwell进行电磁力的计算，接着进行时域内的集中力计算，然后将仿真数据协同到ANSYSMechanical中进行谐响应分析，最后利用谐响应分析的数据在ANSYSAcoustics中进行声压分析。（电梯行业详细的解决方案待续……）