扶梯焊接工装支架结构的有限元分析

曾小红 曾淑琴 顾晓勤

(1.湖北荆门城建集团有限公司，湖北 荆门 448124；2.蒂森克虏伯机场系统(中山)有限公司，广东 中山 528437； 3.电子科技大学中山学院，广东 中山 528402)

·结构·抗震·

扶梯焊接工装支架结构的有限元分析

曾小红1曾淑琴2顾晓勤3

(1.湖北荆门城建集团有限公司，湖北 荆门 448124；2.蒂森克虏伯机场系统(中山)有限公司，广东 中山 528437； 3.电子科技大学中山学院，广东 中山 528402)

以ANSYS有限元分析软件为工具，利用ANSYS提供的二次开发工具APDL进行命令流的参数化建模，对扶梯焊接工装支架结构模型进行了有限元计算，得到了在最恶劣载荷工况下的应力和变形，并对结构的强度和刚度进行了校核，验证了该结构的安全性，以保证生产扶梯产品的质量要求。

扶梯工装支架，ANSYS，有限元计算

1 概述

随着城市化、城镇化的不断深化，住宅、商场、机场、地铁建设等项目的增多，住宅电梯、自动扶梯、自动人行道的需求会不断增大。未来50年我国新增住房面积将达到200亿m2。市场对自动扶梯的需求量越来越大，我国电梯(含扶梯)业目前发展势头良好，2011年中国电梯销量达45万部，与2010年销量相比增长23%。电梯保有量约200万部，产量超过了全世界电梯年产量的50%。其中，自动扶梯的生产已经实现了批量化生产，扶梯设备焊接用的工装支架是自动扶梯生产中的重要设备，其结构的可靠性直接影响了扶梯的产量和扶梯生产商的成本。因此对扶梯支撑框架的有限元分析在决定该工装支架材料成本等方面显得尤为重要。

2 扶梯焊接工装支架的有限元结构分析

2.1 扶梯焊接工装支架结构的组成

如图1所示，扶梯焊接工装支架的结构包括：滑道、底座、两侧楼梯及扶手。整个支撑框架为钢结构组成的架子，实际上是分成几段在底部用螺栓固定组成到一起的，图2即为包含滑道部分的架子结构[1-3]。

2.2 固定通道的有限元模型说明

除自重外，该支架的主要受力部分为顶部的滑道，工装的过程中主要承受着来自扶梯的载荷作用。两边的楼梯是方便工作人员上下的，对于该工装支架没有载荷的作用，因此在有限元建模过程中，可以省去。支架两边悬出部分为平台，供工作人员工作时行走，详图中省略了护栏扶手。在有限元建模过程中，该悬出部分及其护栏扶手，对支架主要的作用为重力载荷，即平台上人员的载荷，该重力载荷已知；为了建模方便，将该平台部分由MPC单元建模，直接施加力的载荷到悬出部分的最外边缘的节点上。由于支架各个架子在底部用螺栓连接在一起，在有限元建模时直接视为连续梁单元。支架的有限元模型见图3。

3 加载和约束处理

3.1 支架的约束

框架底部长度方向上的钢管为螺栓连接，在有限元计算时通过施加UX，UY和UZ三个方向上的位移约束来处理。框架上部长度方向上的钢管与上面的轨道通过螺栓连接，在有限元计算时通过耦合对应节点来实现[4]。

3.2 载荷施加处理

两侧梯子总重3 000 kg(约3×104N),通过施加到两侧MPC单元的连接节点(共40个)处，每个节点载荷为3×104N÷40=750 N。

轨道上的上段固定块、下段滑动块与中间滑动块的作用力，通过施加到作用在轨道上作用区域的节点来施加。由于轨道上载荷可变，在有限元计算时，考虑了支架最薄弱的区域施加力的载荷，可变载荷施加点如图4所示。

4 计算结果分析

4.1 位移结果

框架结构整体最大向上位移：0.307 mm，向下最大位移：0.272 mm；分别在支架两端架子处(见图5～图7)。

最大位移为0.590 mm，发生在导轨固定块作用的端部(见图8，图9)，最大挠度0.590 mm/30.32=1/51 390,满足刚度要求。

4.2 应力结果

最大应力：107 MPa<215 MPa(Q235材料的许用应力)，满足强度要求。最大应力发生在滑道开始的支架部分的竖梁钢管下方(见图10，图11)。

5 结论与讨论

1)扶梯滑道的挠度直接决定着扶梯产品的精度与质量，若滑道变形大，会严重影响扶梯的焊接工装作业，本文通过对扶梯工装焊接支架结构的有限元分析，得到轨道的挠度值为1/51 390，可以确信对于大量的工装作业，该支架仍然能够保证扶梯产品的质量。

2)在ANSYS建模过程中，对于固定通道这种有规律的空间桁架类结构，采用的是APDL命令流方法进行参数化建模，既方便模型的修改，也比直接生成法建模和用户GUI操作建模效率更高。同时通过必要的简化，省去了建立人行平台的模型，却计算了该结构的载荷。因此在有限元计算分析前，对结构做适当的简化显得十分重要。

[1] 张 涛.扶梯的参数化设计及有限元分析[D].沈阳：东北大学硕士论文，2008.

[2] EN 1990-2002，Eurocode-Basis of structural design，Eurocode 3:Design of steel structures[S].

[3] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4] 商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2009.

FEanalysisforassemblyweldingjigstructureofescalator

ZENGXiao-hong1ZENGShu-qin2GUXiao-qin3

(1.HubeiJingmenUrbanConstructionGroupLimitedCompany,Jingmen448124,China; 2.ThyssenKruppAirportSystem(Zhongshan)LimitedCompany,Zhongshan528437,China; 3.ZhongshanCollege,ElectronicScienceandTechnologyUniversity,Zhongshan528402,China)

Taking the ANSYS finite element analysis software as tools, this paper made command flow parametric modeling using secondary development tool APDL provided by ANSYS, and made finite element calculation to escalator welding tooling bracket model, gained the stress and deformation at the worst load conditions, and checked the structure strength and stiffness, verified the safety of structure, to ensure the quality requirements of production of escalator products.

escalator tooling support, ANSYS, finite element calculation

1009-6825(2014)33-0025-02

2014-09-11

曾小红(1982- )，女，工程师； 曾淑琴(1983- )，女，工程师； 顾晓勤(1964- )，男，教授

TU311.41

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