基于SimSolid的自动扶梯分段桁架强度计算

                                                                                                                 技术邻用户：楼兰的薄荷

    1 背景

    自动扶梯桁架作为自动扶梯的主要承载构件，对维持扶梯的正常运转、保障乘客安全具有重大意义。国家标准对其强度设计有明确的技术要求：自动扶梯或自动人行道支撑结构设计所依据的载荷是自动扶梯或自动人行道的自重加上5000N/㎡的载荷。根据5000/㎡的载荷计算或实测的最大挠度，不应大于支承距离的1/750。

    行业内提升高度大于6米的扶梯，考虑制造和运输的方便性，一般将扶梯桁架分段设计，这就需要额外校验分段连接结构的强度。以往计算这类桁架通常将其视为整体桁架，建立整体线框模型，赋予各线框对应的型材截面，得到桁架杆件承受的最大拉力，并以此对分段结构进行单独的建模分析，步骤较为繁琐。Altair全新推出的商用SimSolid软件，对于这类计算桁架就简单多了，用户可以直接将带分段连接组件的实体桁架模型导入到SimSolid进行强度计算，分析流程极为高效。以下就采用SimSolid对我司自动扶梯产品所用的桁架进行强度计算。

    2 主要技术参数及载荷

    2.1 计算依据

    GB16899-2011《自动扶梯与自动人行道制造与安装安全规范》

    2.2 模型

    扶梯方管桁架三维模型（使用creo2.0建模）如图2-1：

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

 

    桁架用料规格如下表：

                       表4-1 桁架用料规格

序号	主要部件	材料
1	上弦杆	方管120*60*7.1/Q235-B
2	下弦杆	方管120*60*6/Q235-B
3	倾斜段竖杆/斜杆	方管 60*60*4/Q235-B
4	中间横梁	角钢 50*50*6/Q235-B
5	底横梁	方管 60*60*3/Q235-B
6	上下部斜杆	方管100*60*4/Q235-B
7	上下部竖杆	方管100*60*4/Q235-B

 

    2.3 载荷

                                                                         表4-2 载荷

载荷代码	载荷名称	载荷单位	载荷大小	载荷类型	备注	载荷方向及其位置
LA1	桁架自重	kg/m³	7850		自重	以密度形式加载
LA2	扶梯系统	N	74270	双侧载荷	自重	竖直向下，作用于桁架上弦杆
LA3	乘客载荷	N	100365	双侧载荷	乘客载荷	竖直向下，作用于桁架上弦杆

    注：扶梯系统含倾斜段导轨、梯级、梯级链、围裙、扶手栏板、扶手系统、积油盘、外装饰板、内外盖板等

    计算挠度时，载荷为LA1；

    计算强度时，载荷为LA1+LA2+LA3。

    3 模型前处理

    3.1设置材料参数

                                    表4-3：材料参数

名称	密度(kg/m³)	弹性模量(Pa)	泊松比	屈服强度(Pa)
Q235	7850	2.10e+11	0.3	2.35e+8

    3.2接触处理

    SimSolid识别几乎所有主流三维软件创建的模型，直接将现有的方管桁架模型导入SimSolid，按照以下步骤处理模型即可。

    1. 将需要设置接触的杆件（桁架对接组件、上下头部大角钢下的两垫板）先用suppress工具隐含。使用seam weld工具自动建立各个杆件使用焊缝连接，焊缝尺寸为4mm。

    2. 恢复前面隐含的零部件，使用接触工具创建未焊接零部件的接触，容差设置为4mm。

    3. 使用自动化建立的连接（默认均绑定约束），难免有部分接触设置不合理，例如本次分析的桁架连接的两块对接板之间的接触应改为分离连接，摩擦系数为0.2。SimSolid提供的各类工具可快速帮助用户查询和修改自己想要的接触。

    4. 最终处理完的模型如图2-2。

 

                                                                                图2-2 建立焊接和接触 

    3.3添加约束及载荷

    如图3-1，上下头部大角钢底下的垫板用于调节水平，扶梯桁架是搁在垫板上面的。将垫板设置为刚体，支承角钢和垫板建立可分离约束，摩擦系数为0.2。载荷按照前面的数值施加。

 

                                                                                图3-1 上下头部建立可分离约束

    施加螺栓预紧力，上部螺栓M20预紧力为350Nm，下部螺栓M24预紧力矩为470Nm，如图3-2。

                                                                                 图3-2 施加螺栓预紧力

     4 计算结果

    4.1 挠度

    如图4-1，桁架最大挠度δ_max =13.86mm，桁架上、下头部支承大角钢距离为20073mm，最大挠度δ_max≤20073/750=26.76mm；挠度满足自动扶梯国家标准规定的要求。

                                                                                图4-1 SimSolid挠度计算结果

    此外，采用传统线框模型的计算结果是14.40mm，与SimSolid计算的差值0.54mm。充分说明对于桁架分析无论是采用SimSolid实体计算还是像其他软件一样采用线框模型计算，结果都是可靠的。

                                                                                图4-2 creo2.0挠度计算结果

    4.2 静强度

    桁架最大等效应力σ=491Mpa，位于螺栓处。如图4-3所示。

                                                                                图4-3 整体等效应力

    把螺栓应力隐藏，桁架最大等效应力变为153Mpa，安全系数为235/153=1.54，大于我司要求的1.35倍安全系数，强度满足设计要求。如图4-4所示：

 

                                                                                 图4-4 桁架等效应力（不含螺栓）

    螺栓最大等效应力为491Mpa，螺栓规格为10.9级高强度螺栓，安全系数为900/491=1.83，大于我司要求的1.35倍安全系数，强度满足设计要求。如图4-5所示：

                                                                                 图4-5 螺栓等效应力 

    综上，使用SimSolid分析后可以再次确定我司目前的桁架无论是挠度还是强度，均满足设计要求。下面分析桁架分段结构采用的螺栓有、无预紧力对桁架分段结构的影响。

    图4-6为分段结构的下部螺栓等效应力云图的，可清楚的判别各个螺栓的受力大小。SimSolid螺栓后处理工具更是清楚的列出了每个螺栓承受的拉力、剪力和弯矩，如表4-1。可以看出，这类分段连接结构螺栓的受力特点是拉力为主，剪力为辅，几乎不承受弯矩。此外，通过对比可以看出，尽管螺栓施加了很大的预紧力距，但是螺栓受全部外载荷后螺栓的拉力仅增加21%左右，这与高强度螺栓的端板连接受力理论相符合。

 

 

                                                                                图4-6 有无预紧力时螺栓的等效应力对比

                                                                                表4-4 有无预紧力时各个螺栓受力数据

		扶梯自重+乘客载荷+无螺栓预紧力	扶梯自重+乘客载荷+有螺栓预紧力
螺栓位置	螺栓情况	轴力(N)	剪力(N)	弯矩(Nm)	轴力(N)	剪力(N)	弯矩(Nm)
左上对接螺栓	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
左下对接螺栓	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
右上对接螺栓	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
右下对接螺栓	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

 

    图4-7表明，实体桁架的挠度趋势是从连接块的四个角向内张开。有预紧力的连接结构，能有效减少连接板的张开挠度，提高连接可靠性。

 

                                                                                图4-7 有无预紧力时下部连接板的挠度对比

    图4-8表明，上部连接螺栓受到的外部拉力比较小，其拉力很大一部分是有预紧力产生的。符合矩形桁架上主弦受压、下主弦受拉的受力特点。

 

                                                                                图4-8 有无预紧力时上部连接板的挠度对比

    虽然此类扶梯分段连接结构的螺栓以受拉力为主，但是根据螺栓直径的不同、连接板厚度的差异、螺栓的布局变化等都会对螺栓产生额外大小不同的翘力，运用SimSolid分析，可以清楚的看到每个螺栓的受力情况，给结构设计提供有用的指导，针对不同的提升高度扶梯设计出既安全又经济的连接结构。

    5 结论

    得益于SimSolid的无网格仿真技术，自动搜索接触类型、自动定义接触、自动识别螺栓螺母并定义正确的螺栓接触，无需考虑去除桁架杆件的圆角，无需考虑网格划分，对自动扶梯分段桁架装配体进行了较为全面的分析，重点考察了分段连接组件的强度，结果准确可信。这比使用传统的有限元软件分析快速方便许多。SimSolid简单易用交互模式必将使其成为广大结构设计师和工程师的良师益友。

 

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