Jak se urbanizace zrychluje a počet výškových{0} budov neustále roste, nacházejí výtahy jako základní vybavení vertikální dopravy stále širší uplatnění. Podle průmyslových statistik je v mé zemi téměř 1 000 výrobců výtahů a konkurence na trhu se zintenzivňuje. Snižování nákladů a zvyšování efektivity prostřednictvím optimalizace produktů se stalo klíčovým problémem v tomto odvětví. Trakční výtahy jako hlavní typ výtahu dozrály na svou podpůrnou technologii po století vývoje. Jejich struktura se skládá z osmi hlavních systémů: trakčního systému, automobilového systému a vodícího systému. Systém kabiny přímo nese zatížení, zatímco rám kabiny jako konstrukční rám kabiny má konstrukci, která přímo ovlivňuje bezpečnost výtahu a výrobní náklady. Nadměrná hmotnost rámu automobilu může vést k plýtvání materiálem a nadbytečnému designu; zatímco příliš nízká hmotnost může nesplňovat požadavky na zatížení, což představuje bezpečnostní riziko.
Provedli jsme optimalizační výzkum na konstrukci rámu kabiny trakčního výtahu pomocí softwaru pro numerickou simulaci k analýze statiky a dynamiky rámu. Tento přístup nám umožňuje dosáhnout lehké konstrukce při zajištění strukturální bezpečnosti, což poskytuje praktické řešení pro zlepšení ekonomické efektivity pro podniky.
1. Mechanická analýza rámu auta výtahu: Základ návrhu optimalizace
Aby bylo zajištěno vědecké a spolehlivé řešení optimalizace, výzkumný tým nejprve použil profesionální numerický simulační software k provedení komplexní analýzy mechanických vlastností rámu kabiny výtahu za různých provozních podmínek, což poskytlo datovou podporu pro následnou odlehčenou konstrukci.
1.1 Statická analýza: Výkon při namáhání za jmenovitých podmínek a podmínek přetížení
Statická analýza se zaměřila na jmenovité provozní podmínky a extrémní přetížení běžného provozu výtahu. Jeho hlavním cílem bylo simulovat rozložení napětí a posunutí rámu vozu vytvořením přesného konstrukčního modelu. Během výzkumu tým nejprve zkonstruoval 3D strukturální model rámu auta pomocí softwaru SolidWorks a poté model importoval do analytického softwaru Abaqus ve formátu x_t. Vzhledem ke složité struktuře rámu auta, aby se zjednodušily výpočty a zachovala přesnost analýzy, vynechali malé detaily, jako jsou spoje, svary, šrouby a zkosení. Hlavní konstrukce byla poté přeměněna na skořepinu a součásti jako vratná kladka, bezpečnostní svorka a vodicí patka byly zjednodušeny na pevná těla. Nastavení parametrů vycházelo ze skutečných provozních norem výtahu, s výkonem trakčního motoru 11,7 kW, hmotností kabiny 1100 kg, jmenovitou rychlostí 1,75 m/s, jmenovitou nosností 1050 kg a výškou zdvihu 82,5 m. Na model byly aplikovány horizontální vazby pro simulaci skutečné hmotnosti, tlaku vozu a zátěžového tlaku neseného rámem vozu. Pro síťování byly použity prvky S4R s velikostí oka 10 mm, výsledkem bylo 590 350 uzlů a 431 287 prvků, což zajistilo přesnost modelu.
Výsledky analýzy ukazují, že za jmenovitých provozních podmínek je maximální napětí v rámu automobilu 138,9 MPa, což je hluboko pod mezí kluzu materiálu. K maximálnímu napětí dochází při kontaktu mezi antivibrační pryží a bočními nosníky rámu automobilu, což vede k lokalizované koncentraci napětí v důsledku kontaktní komprese. Tato koncentrovaná oblast však pokrývá pouze dva síťové prvky a má minimální vliv na celkové namáhání rámu vozu. Výpočty ukazují, že poměr meze kluzu materiálu k 1,5násobku součinitele bezpečnosti je 156,7 MPa (235 MPa/1,5) a maximální napětí 138,9 MPa splňuje bezpečnostní požadavky.
Při 125% přetížení vzroste maximální napětí v rámu vozu na 296,2 MPa, opět soustředěno v místě kontaktu mezi antivibrační pryží a bočními nosníky rámu vozu. Oblast koncentrace napětí se rozšiřuje na čtyři buňky mřížky, ale její dopad na celkové strukturální napětí je stále omezený. Kromě oblasti koncentrace napětí je maximální napětí ve zbývajících oblastech 166,4 MPa. I když je nižší než mez kluzu materiálu, nedosahuje 1,5násobku požadavku na bezpečnostní faktor. Kromě toho je maximální kumulativní posunutí rámu automobilu 9,5 mm, což vyžaduje, aby se při skutečném používání zabránilo dlouhodobému přetížení.
1.2 Dynamická analýza: Ověření bezpečnosti konstrukce za extrémních provozních podmínek
Dynamická analýza se zaměřuje na extrémní rizikové podmínky při provozu výtahu-spouštění vozu a nouzového brzdění. Za těchto podmínek se v průběhu času dynamicky mění rychlost a zrychlení rámu vozu. Přechodové dynamické simulace jsou prováděny pomocí modulu Abaqus Explicit. Počáteční rychlost je kontaktní rychlost mezi nárazníkem a rámem vozu a amplituda skutečné změny rychlosti během provozu se zadává pro simulaci dynamické odezvy na namáhání konstrukce.
Výsledky simulace ukazují, že když auto vyjede, dochází k velkým koncentracím napětí v místě kontaktu mezi nárazníkem a rámem vozu a některé součásti podléhají plastické deformaci v důsledku nadměrného napětí. Za 0,084 sekundy po dosažení dna dosáhne maximální napětí v místě dopadu 248,2 MPa. I když to nepřekračuje mez pevnosti materiálu 400 MPa a zabraňuje celkovému selhání konstrukce, rám vozu ztrácí schopnost normálního provozu. Proto jsou při návrhu a provozu výtahu nezbytné komplexní bezpečnostní ochranné systémy, aby se zabránilo pádu kabiny. Za podmínek nouzového brzdění je maximální hodnota napětí rámu vozu 229,1 MPa, což je nižší než mez kluzu materiálu, a rozsah působení napětí je malý, což neohrozí konstrukční bezpečnost. To ukazuje, že systém nouzového brzdění výtahu může účinně zajistit stabilitu konstrukce rámu kabiny.
2. Optimalizační návrh horního příčného nosníku rámu auta: Lehké řešení v praxi
Na základě výsledků mechanické analýzy výzkumný tým zjistil, že celkové namáhání rámu automobilu splňuje bezpečnostní požadavky a má významné bezpečnostní rezervy během normálního provozu, což naznačuje potenciál pro optimalizaci hmotnosti. Další analýza rozložení napětí každé součásti identifikovala horní příčný nosník jako cíl optimalizace jádra-jeho hodnoty napětí za různých provozních podmínek byly hluboko pod limitem materiálu, což ukazuje na největší optimalizační potenciál.
2.1 Stanovení optimalizačních proměnných a metod
S ohledem na stabilitu celkového konstrukčního uspořádání rámu vozu jsme se rozhodli neměnit klíčové rozměry, jako je délka, výška ohybu a celková výška horního příčníku. Zaměřili jsme se výhradně na tloušťku horního příčného nosníku jako jedinou optimalizační proměnnou, abychom se vyhnuli ovlivnění rovnováhy napětí ostatních součástí v důsledku strukturálních úprav. Optimalizační metoda využívala přístup „krok-za{3}}zmenšování po krocích“, přičemž se začalo s původní tloušťkou 6 mm a tloušťka se zmenšovala vždy o 0,5 mm. Prostřednictvím několika simulačních analýz jsme ověřili namáhání a bezpečnostní stav horního příčného nosníku s různými tloušťkami a nakonec jsme vybrali optimální řešení.
2.2 Porovnání výkonu a kvality před a po optimalizaci
Několik kol ověření simulace potvrdilo, že snížením tloušťky horního příčného nosníku z 6 mm na 4 mm bylo dosaženo optimální rovnováhy mezi konstrukčním výkonem a nízkou hmotností. Z hlediska namáhání bylo maximální napětí horního příčníku před optimalizací pouze 17,08 MPa, což je výrazně pod mezí kluzu materiálu. Po optimalizaci se maximální napětí zvýšilo na 139,5 MPa, stále pod bezpečnostním prahem 156,7 MPa, což splnilo požadavek na 1,5x bezpečnostní faktor a prokázalo stabilní a spolehlivé mechanické vlastnosti.
Pokud jde o odlehčení a kontrolu nákladů, po optimalizaci byla hmotnost jednoho horního příčného nosníku snížena z 29,95 kg na 22,46 kg, což představuje snížení hmotnosti o 7,49 kg na nosník a stupeň odlehčení o 25 %. Snížená hmotnost horního příčného nosníku také nepřímo snižuje celkové zatížení-nosné zátěže rámu automobilu, dále optimalizuje stav namáhání celého systému automobilu a vytváří účinný cyklus „lehkého - nízkého zatížení - větší bezpečnosti“.
3. Závěry výzkumu a průmyslová hodnota
Tento výzkum optimalizovaného návrhu konstrukce rámu kabiny trakčního výtahu prostřednictvím vědecké mechanické analýzy a přesné optimalizace parametrů přinesl následující klíčové závěry: Za prvé, maximální napětí v rámu kabiny za jmenovitých provozních podmínek bylo 138,9 MPa a maximální napětí v nekoncentrovaných oblastech za podmínek přetížení bylo 166,4 MPa, oba splňují základní mechanické požadavky. Zadruhé, konstrukce neutrpěla celkové poškození při naklápění vozu a podmínkách nouzového brzdění, ale riziko pádu vozu zůstává problémem. Za třetí, optimalizací tloušťky horního příčného nosníku z 6 mm na 4 mm byla zachována bezpečnost při dosažení cíle 25% snížení hmotnosti.
Z pohledu odvětví poskytuje tento průzkum výrobcům výtahů praktické řešení pro zvýšení{0}}úspory nákladů a efektivity{1}}. Snížením tloušťky horního příčného nosníku mohou výrobci přímo omezit použití surovin, jako je ocel, a tím snížit výrobní náklady. Kromě toho lehký rám kabiny snižuje spotřebu energie během provozu výtahu a zlepšuje celkovou energetickou účinnost zařízení. Kromě toho metoda „mechanické analýzy - proměnných screeningu - kroková-optimalizace{8}}po krocích“ použitá ve výzkumu také poskytuje referenční paradigma pro optimalizovaný návrh dalších konstrukčních komponent ve výtahovém průmyslu, čímž podporuje transformaci odvětví z „empirického návrhu“ na „datové{9}}řízené design“ a pomáhá výtahovým produktům dosáhnout vyšší úrovně rovnováhy mezi bezpečností a hospodárností.
