课程设计电梯结构设计.doc

目录1. 绪论 11.1 电梯的发展历史 11.2 CAD造型技术 11.3 有限元分析技术 31.4 本课题主要任务 42. 方案总体设计 62.1 电梯的组成及其工作原理 62.2 电梯的工作原理 72.3方案总体设计前的准备 82.4 主要内容和要求 83. 电梯主机承重梁结构设计 103.1.电梯主机承重梁受力分析 103.2 承重梁不同工况下受力计算 123.3有限元建模计算 134. 有限元的承重梁结构优化设计 204.2 优化设计基本过程 204.3优化计算 214.3.1建立数学模型 214.4结果分析 22结论 24致谢 24参考文献 241. 绪论随着电梯应用的普及，电梯的安全及强度计算成为电梯设计中的关键问题电梯设计中应用有限元分析软件，对电梯关键部件进行相应的分析优化，以对电梯的安全运行提供有效保障1.1 电梯的发展历史1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。

一切安全，先生们站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意谁也不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯生活在继续，科技在发展，电梯也在进步150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好1.2 CAD造型技术计算机辅助设计（ＣＡＤ）作为一项在工业界得到广泛应用的信息技术，它推动了几乎一切领域的设计革命ＣＡＤ技术的发展和应用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志。

ＣＡＤ发展中有许多造型技术流派，大多在造型效率、实用性以及商业化上未取得突破，逐渐被淘汰取得巨大成功的两大技术流派是以线框造型和表面造型技术为代表的无约束自由造型技术和Ｐｒｏ／Ｅ的参数化造型理论、Ｉ－ＤＥＡＳ的变量化造型理论为代表的基于约束的实体造型技术以ＣＡＤ造型技术的应用来划分，其发展阶段可分为显式建模（ＥｘｐｌｉｃｉｔＭｏｄｅｌｉｎｇ）时期、基于历史记录建模（Ｈｉｓｔｏｒｙ－ｂａｓｅｄＳｏｌｉｄｓ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 时期和同步建模（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）时期1.2.1 显式建模时期显式建模技术的最大特点是无约束自由造型，主要有线框造型技术、曲面造型技术和实体造型技术1）线框造型技术，这种以点、线、圆、圆弧以及简单曲线作为构图图素，利用顶点和棱边的集合来描述产品几何形状的建模技术，操作简单，交互功能强，带来设计与制造的许多便利但因无法表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息，ＣＡＥ和ＣＡＭ 均无法实现2）曲面造型技术，相比线框模型，曲面造型增加了面表信息，记录了边与面之间的拓扑关系，实现了消隐、着色、表面积计算、按曲面求交、数控刀具轨迹生成等，为ＣＡＭ 的实现奠定了基础。

3）实体造型技术，曲面造型技术，虽然有了形体的表面信息，但仍无法准确表达如质量、重心、惯性矩等零件特性，无法实现ＣＡＥ在此背景下，提出了实体造型技术，造型上增加了表面侧的定义，从而包含了全部点、线、面、体的拓扑信息，在理论上达到了ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ 的统一1.2.2 基于历史记录的建模时期在参数化、变量化技术建模过程中，特征创建时，系统自动赋予它一个时间戳记，当修改物体时，更新将由时间戳记的顺序控制，这种建模方式被称为基于历史记录的建模技术1）参数化造型技术，参数化技术基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改，彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式加以控制在许多通用件、零部件的设计上展现出了简便易行、速度快的优势，使产品设计效率大幅提高2)变量化造型技术，变量化技术的特点是保留了参数化技术的基本特征，在约束定义上做了根本性的改变，加入了工程约束，并将尺寸参数进一步区分为形状约束和尺寸约束允许设计者采用先形状后尺寸的欠约束设计方法，同时做到了尺寸驱动和约束驱动建模1.2.3 同步建模技术发展阶段参数化和变量化建模技术对几何造型的修改依赖于建模历史记录，它既是最大的技术特点，也是最致命的短板。

在大型模型中，特征结构复杂，修改过程中特征的损失非常巨大通常只有创建者才能把握模型的设计意图，还往往必须接受历史建模带来的模型性能损失同步建模技术最大的优势:1)将特征树变成了特征集利用该特征集，突破了原来顺序结构的特征树的限制，设计人员能够快速选择和操作模型，不影响构建模型的方式；消除了父子结构关系的影响，可以直接操作子特征，而不受父特征影响，这是参变量技术无法实现的2)在无约束模型上进行受控编辑系统能自动识别几何条件，保证操作符合模型明显的、未写明的约束关系3)同步建模技术比历史记录建模有更多的尺寸方向控制，并能够快速进行“假设”变更其修改更加便利，也避免了在历史记录模型中修改带来的涟漪效应的困扰1.3 有限元分析技术有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵） 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法求解结果是单元结点处状态变量的近似值对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算1.4 本课题主要任务本文针对某新型电梯，对电梯承重梁的刚度及强度进行分析设计，本电梯的主要技术参数为：电梯规格： 承重1000 kg，运行速度1.0 m/s；承重钢梁： 2根，钢材型号为 H-194*150*6*9，长度 L为 3.100 m；主机功率： 8.5 KW2. 方案总体设计2.1 电梯的组成及其工作原理现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成 电梯的结构包括：四大空间，八大系统 四大空间：机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分。

八大系统：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统a）曳引系统曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成b）导向系统导向系统的主要功能是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升降运动导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成c）轿厢轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分轿厢由轿厢架和轿厢体组成d）门系统门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成e）重量平衡系统系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常系统主要由对重和重量补偿装置组成 f）电力拖动系统电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成g）电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成h）安全保护系统保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。