技術鄰用戶：樓蘭的薄荷

    1 背景

    自動扶梯桁架作為自動扶梯的主要承載構件，對維持扶梯的正常運轉、保障乘客安全具有重大意義。國家標準對其強度設計有明確的技術要求：自動扶梯或自動人行道支撐結構設計所依據的載荷是自動扶梯或自動人行道的自重加上5000N/㎡的載荷。根據5000/㎡的載荷計算或實測的最大撓度，不應大于支承距離的1/750。

    行業內提升高度大于6米的扶梯，考慮制造和運輸的方便性，一般將扶梯桁架分段設計，這就需要額外校驗分段連接結構的強度。以往計算這類桁架通常將其視為整體桁架，建立整體線框模型，賦予各線框對應的型材截面，得到桁架桿件承受的最大拉力，并以此對分段結構進行單獨的建模分析，步驟較為繁瑣。Altair全新推出的商用SimSolid軟件，對于這類計算桁架就簡單多了，用戶可以直接將帶分段連接組件的實體桁架模型導入到SimSolid進行強度計算，分析流程極為高效。以下就采用SimSolid對我司自動扶梯產品所用的桁架進行強度計算。

    2 主要技術參數及載荷

    2.1 計算依據

    GB16899-2011《自動扶梯與自動人行道制造與安裝安全規范》

    2.2 模型

    扶梯方管桁架三維模型（使用creo2.0建模）如圖2-1：

                                                                                 圖2-1 扶梯桁架模型（2分段）

 

    桁架用料規格如下表：

                       表4-1 桁架用料規格

序號	主要部件	材料
1	上弦桿	方管120*60*7.1/Q235-B
2	下弦桿	方管120*60*6/Q235-B
3	傾斜段豎桿/斜桿	方管 60*60*4/Q235-B
4	中間橫梁	角鋼 50*50*6/Q235-B
5	底橫梁	方管 60*60*3/Q235-B
6	上下部斜桿	方管100*60*4/Q235-B
7	上下部豎桿	方管100*60*4/Q235-B

 

    2.3 載荷

                                                                         表4-2 載荷

載荷代碼	載荷名稱	載荷單位	載荷大小	載荷類型	備注	載荷方向及其位置
LA1	桁架自重	kg/m3	7850		自重	以密度形式加載
LA2	扶梯系統	N	74270	雙側載荷	自重	豎直向下，作用于桁架上弦桿
LA3	乘客載荷	N	100365	雙側載荷	乘客載荷	豎直向下，作用于桁架上弦桿

    注：扶梯系統含傾斜段導軌、梯級、梯級鏈、圍裙、扶手欄板、扶手系統、積油盤、外裝飾板、內外蓋板等

    計算撓度時，載荷為LA1；

    計算強度時，載荷為LA1+LA2+LA3。

    3 模型前處理

    3.1設置材料參數

                                    表4-3：材料參數

名稱	密度(kg/m3)	彈性模量(Pa)	泊松比	屈服強度(Pa)
Q235	7850	2.10e+11	0.3	2.35e+8

    3.2接觸處理

    SimSolid識別幾乎所有主流三維軟件創建的模型，直接將現有的方管桁架模型導入SimSolid，按照以下步驟處理模型即可。

    1. 將需要設置接觸的桿件（桁架對接組件、上下頭部大角鋼下的兩墊板）先用suppress工具隱含。使用seam weld工具自動建立各個桿件使用焊縫連接，焊縫尺寸為4mm。

    2. 恢復前面隱含的零部件，使用接觸工具創建未焊接零部件的接觸，容差設置為4mm。

    3. 使用自動化建立的連接（默認均綁定約束），難免有部分接觸設置不合理，例如本次分析的桁架連接的兩塊對接板之間的接觸應改為分離連接，摩擦系數為0.2。SimSolid提供的各類工具可快速幫助用戶查詢和修改自己想要的接觸。

    4. 最終處理完的模型如圖2-2。

 

                                                                                圖2-2 建立焊接和接觸 

    3.3添加約束及載荷

    如圖3-1，上下頭部大角鋼底下的墊板用于調節水平，扶梯桁架是擱在墊板上面的。將墊板設置為剛體，支承角鋼和墊板建立可分離約束，摩擦系數為0.2。載荷按照前面的數值施加。

 

                                                                                圖3-1 上下頭部建立可分離約束

    施加螺栓預緊力，上部螺栓M20預緊力為350Nm，下部螺栓M24預緊力矩為470Nm，如圖3-2。

                                                                                 圖3-2 施加螺栓預緊力

     4 計算結果

    4.1 撓度

    如圖4-1，桁架最大撓度δ_max =13.86mm，桁架上、下頭部支承大角鋼距離為20073mm，最大撓度δ_max≤20073/750=26.76mm；撓度滿足自動扶梯國家標準規定的要求。

                                                                                圖4-1 SimSolid撓度計算結果

    此外，采用傳統線框模型的計算結果是14.40mm，與SimSolid計算的差值0.54mm。充分說明對于桁架分析無論是采用SimSolid實體計算還是像其他軟件一樣采用線框模型計算，結果都是可靠的。

                                                                                圖4-2 creo2.0撓度計算結果

    4.2 靜強度

    桁架最大等效應力σ=491Mpa，位于螺栓處。如圖4-3所示。

                                                                                圖4-3 整體等效應力

    把螺栓應力隱藏，桁架最大等效應力變為153Mpa，安全系數為235/153=1.54，大于我司要求的1.35倍安全系數，強度滿足設計要求。如圖4-4所示：

 

                                                                                 圖4-4 桁架等效應力（不含螺栓）

    螺栓最大等效應力為491Mpa，螺栓規格為10.9級高強度螺栓，安全系數為900/491=1.83，大于我司要求的1.35倍安全系數，強度滿足設計要求。如圖4-5所示：

                                                                                 圖4-5 螺栓等效應力 

    綜上，使用SimSolid分析后可以再次確定我司目前的桁架無論是撓度還是強度，均滿足設計要求。下面分析桁架分段結構采用的螺栓有、無預緊力對桁架分段結構的影響。

    圖4-6為分段結構的下部螺栓等效應力云圖的，可清楚的判別各個螺栓的受力大小。SimSolid螺栓后處理工具更是清楚的列出了每個螺栓承受的拉力、剪力和彎矩，如表4-1。可以看出，這類分段連接結構螺栓的受力特點是拉力為主，剪力為輔，幾乎不承受彎矩。此外，通過對比可以看出，盡管螺栓施加了很大的預緊力距，但是螺栓受全部外載荷后螺栓的拉力僅增加21%左右，這與高強度螺栓的端板連接受力理論相符合。

 

 

                                                                                圖4-6 有無預緊力時螺栓的等效應力對比

                                                                                表4-4 有無預緊力時各個螺栓受力數據

		扶梯自重+乘客載荷+無螺栓預緊力	扶梯自重+乘客載荷+有螺栓預緊力
螺栓位置	螺栓情況	軸力(N)	剪力(N)	彎矩(Nm)	軸力(N)	剪力(N)	彎矩(Nm)
左上對接螺栓	M20X100_10.9S	10392	617	9	95398	759	15
M20X100_10.9S	6332	322	1	93296	580	5
M20X100_10.9S	7840	284	4	99687	618	13
左下對接螺栓	M24X110_10.9S	453	2007	10	94061	1446	10
M24X110_10.9S	128260	2401	26	156290	1150	15
M24X90_10.9S	24380	7145	109	109890	5034	65
M24X90_10.9S	119560	8230	234	146240	3481	150
	所有螺栓合力	297217	21006	392	794862	13068	273
右上對接螺栓	M20X100_10.9S	10303	337	10	95150	713	19
M20X100_10.9S	6077	434	1	93519	689	8
M20X100_10.9S	9362	549	3	99967	563	17
右下對接螺栓	M24X110_10.9S	187	1967	8	95314	1616	12
M24X110_10.9S	123840	3845	23	154630	2099	16
M24X90_10.9S	26764	6942	109	110000	4884	74
M24X90_10.9S	119310	8057	220	147090	6266	152
	所有螺栓合力	295843	22130	374	795670	16830	298

 

    圖4-7表明，實體桁架的撓度趨勢是從連接塊的四個角向內張開。有預緊力的連接結構，能有效減少連接板的張開撓度，提高連接可靠性。

 

                                                                                圖4-7 有無預緊力時下部連接板的撓度對比

    圖4-8表明，上部連接螺栓受到的外部拉力比較小，其拉力很大一部分是有預緊力產生的。符合矩形桁架上主弦受壓、下主弦受拉的受力特點。

 

                                                                                圖4-8 有無預緊力時上部連接板的撓度對比

    雖然此類扶梯分段連接結構的螺栓以受拉力為主，但是根據螺栓直徑的不同、連接板厚度的差異、螺栓的布局變化等都會對螺栓產生額外大小不同的翹力，運用SimSolid分析，可以清楚的看到每個螺栓的受力情況，給結構設計提供有用的指導，針對不同的提升高度扶梯設計出既安全又經濟的連接結構。

    5 結論

    得益于SimSolid的無網格仿真技術，自動搜索接觸類型、自動定義接觸、自動識別螺栓螺母并定義正確的螺栓接觸，無需考慮去除桁架桿件的圓角，無需考慮網格劃分，對自動扶梯分段桁架裝配體進行了較為全面的分析，重點考察了分段連接組件的強度，結果準確可信。這比使用傳統的有限元軟件分析快速方便許多。SimSolid簡單易用交互模式必將使其成為廣大結構設計師和工程師的良師益友。

 

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