摘要：利用ANSYS有限元分析软件，对自动人行道桁架结构进行了强度分析计算。对桁架整体进行了静力学分析和简化，采用ANSYS有限元分析软件，将实际薄壁焊接结构依据有限元理论进行合理力学简化；对各项初始条件做参数化处理，利用APDL语言编程将桁架计算分析参数化，经过建模、材料属性、约束、加载、工况组合等程序，对金属桁架进行各种载荷工况受力仿真分析。按照检规要求进行自动人行道挠度实验并对仿真模拟值进行了验证。研究结果表明，挠度仿真模拟值与实测值仅相差10%左右，两者吻合度较高，说明此种模拟计算方法契合桁架实际结构，可靠性较高，为进一步对此类结构优化分析奠定了很好的基础。
关键词：自动人行道,仿真模拟,有限元,桁架结构
0引言
自动人行道是一种用于方便乘客移动的设施。它通常由一系列可移动的步行踏板组成，这些踏板沿着固定的链条和梯路移动，以提供乘客在行进过程中的支撑。
自动人行道的主要用途是提供便利和舒适的步行体验。它们可以在人口密集的城市地区、购物中心、机场、火车站、地铁站等地方使用，以帮助行人更轻松地移动。
自动人行道可以减轻步行的压力，特别是对于老年人、残疾人和携带大型行李的人来说更是友好。
自动人行道是公共建筑、展览中心、超市、机场、高铁、地铁、过街天桥等公共交通运输场合不可缺少的交通运输设备。自动人行道因其产品自身的特点，不仅可以解决人流量大的运输问题[1],还可以满足建筑物内部较长距离步行和运送婴儿车、残疾车、购物车、行李车等，在乘坐的时候如履平地，极大地方便了人们在建筑物内部快速移动。自动人行道方便、快捷、愉悦的乘坐体验，成为超市、机场、展览中心、地铁等公共建筑内部的首选交通解决方案。
自动人行道安全性能也相对较高。该设备通常设有防滑表面和侧栏，以防止行人滑倒或意外跌落。还提供了一个独立的行人通道，可以减少人与其他设备之间的冲突，使行人能够安全地穿越通道。部分自动人行道配置变频功能，能够根据行人流量自动调整速度，在没有行人时，自动人行道可以减慢或停止运行，以节省能源。
自动人行道对建筑物安装空间的要求较低，结构坚固，载重量较大。在大型商场、机场、车站等繁忙人流的建筑环境中，充分考虑现代化建筑内部交通需求，节省每一寸宝贵的建筑空间。而且可以根据不同建筑物的用途及环境，选择匹配的倾斜角度，不受建筑土建限制。
现代多数生产厂家都可以提供0°~12°的倾斜角度，满足各种不同建筑物的设计、使用需要。
总的来说，自动人行道的用途是为了提供便利、舒适、安全和节能的步行体验。它们在现代城市中起着重要的作用，使行人能够更轻松地移动，并促进可持续的城市发展。
为降低研发费用、缩短研发周期，机械结构量产之前，先进行有限元仿真模拟优化结构，这样可大大减少试验次数、节约研发经费、加速设计周期、提高产品质量[2]。有限元仿真模拟可以在产品设计阶段发现问题，避免实际制造阶段出现错误，有助于降低产品开发成本。
可以通过仿真模拟快速评估各种设计方案，加速产品设计和优化过程，减少实际实验次数，缩短产品上市时间。
通过仿真模拟，可以更好地理解产品在各种条件下的性能，从而改进产品设计，提高产品质量和可靠性。有限元仿真模拟可以在各种极端条件和不安全条件下进行测试，更好地了解产品的性能极限。
目前已经普遍采用有限元分析方法，如杨天玲等[3-4]采用ANSYS对自动扶梯金属桁架结构进行计算分析，模拟结果与实验验证相差仅5%,吻合度高，说明此种模拟方法有效；并在此基础上，分析了自动扶梯金属桁架在地震工况下强度性能，给出了桁架加强方案。
徐伟通等[5]通过有限元方法对梯级安全性能进行了研究，结合其边界条件，得出合适的使用工况。陈涛等[6]针对自动扶梯及梯级的安全性能，分析了重载自动扶梯主要承重部件的强度薄弱环节，研究表明重载扶梯桁架的最大变形处位于桁架中部，应力较大区域是桁架两端与支撑结构相连的部位，梯级的薄弱部位是主轮附近的支撑结构，梯级在偏载工况下应力最大值升高，安全系数降低。姜土根[7]对铝合金梯级强度进行计算分析及实验研究，模拟分析数值与实验数值吻合度比较高。
本文以自动人行道桁架金属结构为分析对象，根据标准GB16899—2011[8]和EN115-2017[9]中按照人行道静载和乘客动载试验要求，采用ANSYS有限元软件对焊接式金属桁架结构进行强度分析。针对自动人行道金属桁架结构在各种工况下所受载荷特征，利用软件APDL程序语言进行参数化建模、边界约束、载荷施加，求解结构在不同工况下的最大挠度和应力，校核金属桁架结构整体及结构主要受压杆件的稳定性，验证其结构是否满足标准要求。如果不满足，则对其薄弱部位进行加强，并重新计算，最终使其满足标准要求。
在GB16899—2011和EN115-1:2017标准中规定了自动人行道的金属结构架的挠度要求：自动扶梯或自动人行道的自重加上5000 N/m2乘客载荷，计算或实测的最大挠度，不应大于两端支撑水平距离的1/750。
1基于有限元法的人行道桁架仿真模拟
ANSYS是一款功能强大的工程仿真软件，广泛应用于结构力学、热传递分析、流体分析等过个领域。软件主要包括3个模块：前处理、分析计算和后处理模块。
ANSYS软件通过以下步骤完成分析：创建模型，确认模型的尺寸单位；定义模型的材料属性，弹性模量、泊松比、密度等；对几何模型进行网格划分，选择合适的单元类型和网格大小，以保证分析的准确性和计算效率；设置载荷和约束，如固定支撑、压力等；选择合适的分析类型（静力学分析、模态分析等），设置求解器参数和收敛准则；运行求解器，监控过程保证计算的稳定性；后处理，查看计算结果，提取位移、应力等分析结果；根据结果进行结构设计的迭代优化。其中，网格密度对结果影响比较大，可以使用网格细化技术改善关键区域的网格质量，也可以试验不同的网格类型和大小以获得最佳解决方案。
ANSYS软件使用APDL程序语言，APDL的全称为ANSYS Parametric Design Language,也叫做ANSYS参数化设计语言。使用参数化设置，可以变化多个几何尺寸或各种边界条件，自动化运行多个设计方案，将各类变量都进行参数化控制，以便程序适应各种人行道金属桁架分析。也可以利用APDL编写自定义的方程或材料模型，以便分析复杂的模型或定制特殊的计算功能。
有限元分析法在分析复杂结构的受力变形时应用非常普遍。在自动人行道金属桁架结构中，上下弦杆、竖杆、斜杆都采用金属薄壁型材，结构强度要求限制在所用材料线弹性范围内，使用软件中梁单元BEAM189进行网络划分，网格大小设置为50。对于该计算模型，根据胡克定理，单元节点位移、受力、刚度关系如式(1)所示。
式中：[K]e为单元刚度矩阵，N/m;[u]e为单元节点位移，mm;[F]e为单元载荷矩阵，N。
采用梁单元BEAM189,结合其3D特性，由一个单元节点受力扩展到任意节点，力与位移关系如式(2)所示。
式中：i、j、m为BEAM 189梁单元线弹性范围内3个自由度。
对于自动人行道金属桁架模型，通过单元位移矩阵的传递，借助有限元离散方法，引入位移、载荷等边界条件，将单元边界的受力载荷等效作用到单元节点上，由此求解得到每个节点的位移、变形、受力情况[3]。
自动人行道的金属桁架结构主要由上下弦杆、倾斜段斜腹杆、倾斜段竖杆、中间横梁、底板等组成，通过焊接的方式连接成整体金属结构架，是人行道设备的主要承受载荷的结构。上下弦杆、斜腹杆、竖杆可以采用方管型材或角钢型材，中间横梁可以采用槽钢或角钢型材。集中载荷安装在人行道上、下平层，其中上平层安装集中载荷驱动主机、主驱动系统、扶手驱动系统等，下平层安装梯路转向机构和梯路张紧系统。由于集中载荷质量较大，安装集中载荷位置的斜腹杆和竖杆要进行相应加强，可以通过增加方管壁厚的方式来加强。自动人行道金属桁架截面型材如表1所示。
自动人行道金属桁架截面示意图如图1所示。
载荷分布：对自动人行道金属桁架结构，除了上头部主驱动系统、驱动主机、控制系统、扶手驱动、上下头部转向机构等集中载荷外，其他载荷均布在桁架截面A、B、C位置处。梯级、梯级链、梯路系统重量均匀分布于B位置两侧；不锈钢栏板或玻璃栏板系统重量均匀分布在A位置两侧；外装潢均匀分布在A、C位置两侧，各占50%;电气系统、润滑系统、照明系统等均匀分布在C位置两侧。
分析案例参数：提升高度1995 mm,水平跨距DBE为13 000 mm,无中间支撑，倾斜角度11°,踏板名义宽度1000 mm,乘客载荷5000 N/m2,标准要求挠度不超过DBE/750。完成模型创建后进行端部约束，自动人行道安装时两端点放置在建筑支撑区域，约束类似简支梁。
根据GB 50017标准[10],挠度计算的载荷工况：1.0×乘客载荷；应力计算的载荷工况：1.35×均布载荷+1.35×集中载荷+1.5×乘客载荷。端部约束和载荷加载后桁架有限元模型及如图2所示。
根据挠度载荷工况，计算得到桁架最大挠度f=16.92 mm<DBE/750。其中GB16899 2011标准求，fmax=13 000/750=17.33mm,因此挠度满足标准要求。
根据应力载荷工况，计算得到最大应力为σmax=212.376 MPa<σs。满足材料使用标准，σs材料许用应力，σs=235 MPa。挠度及应力云图如图3所示。
2实验验证
按照G B16899—2011标准中挠度要求，乘客载荷5 000 N/m2时，测量得到竖向最大变形即为挠度值。按照乘客载荷密度将标准砝码(25 kg/个）放置在踏板和楼层板上。按照检规TSGT7024—2004中自动人行道挠度实验方法[11]：自动人行道安装好后，最大挠度一般分布在桁架中间靠上的位置上，在此区域内可以多布置几个铅锤进行测量，总测量点数不少于5个，用铅锤法先测量初始变形量并记录。乘客载荷加载图如图4所示。
依照标准施加5000 N/m2乘客载荷，加载10 min后记录桁架上各测量点竖直方向变形量。乘客载荷加载后桁架变形量与无乘客载荷时桁架变形量的差值即为桁架挠度值。选择的测量点也可以在有限元仿真分析模型中找到相应节点的位置，便于实测值和模拟值进行比较，两者比较如表2所示。由表可知，实测值偏差与仿真模拟值最大仅10.02%,说明创建模型、约束、施加载荷的方法精确度比较高，符合自动人行道桁架实际测试情况。
实测值与仿真模拟值存在偏差的原因：(1)实际桁架结构为金属焊接方式，而模拟计算时杆件与杆件相互间是理论一体式固定连接；(2)模拟计算中采用的型材截面尽可能接近实际使用的型材，但与实际型材截面还是存在一定的差异；(3)实际端部仅约束Y向，而模拟计算时必须有一个端点要全约束。以上原因引起实测值与模拟值存在差异。
3结束语
本文对自动人行道金属桁架结构进行了静力学有限元分析，得出以下结论：(1)计算分析得到的金属桁架最大挠度小于GB16899标准规定的挠度要求L/750,最大应力小于桁架所用材料屈服强度，结构强度满足标准要求；(2)实际测量的挠度值与仿真模拟计算的挠度值很接近，结果吻合度比较高，这种仿真模拟分析方法对自动人行道桁架结构的优化具有较好的参考意义。
参考文献：
[1]朱昌明．电梯与自动扶梯[M].上海：上海交通大学出版社，2003.
[2]杨天玲，陈义东．基于ANSYS Workbench的焊缝强度计算分析及实验研究[J].机电技术，2022(1):2-4.
[3]杨天玲，朱道林，张海波，等．基于ANSYS的自动扶梯桁架结构分析及实验研究[J]机电工程，2021(12):1641-1646.
[4]杨天玲，林森，陈义东．地震工况下自动扶梯桁架结构分析研究[J].机电工程，2022,39(12):1784-1788.
[5]徐伟通，高旭东，叶志峰．基于有限元的自动扶梯梯级安全性能研究[J].机械工程与自动化，2019(2):64-65.
[6]陈涛．基于有限元的重载自动扶梯桁架及梯级的安全性能分析[J].中国安全生产科学技术，2014(10):62-67.
[7]姜土根．铝合金梯级强度计算分析及实验研究[J].机电技术，2023(3):9-11.
[8]中国国家标准化管理委员会．自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范：GB16899—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.
[9]CEN national STD.EN115-1:2017 Safety of escalator and moving walks-Part 1:Construction and installation[S].Vienna:European Standards Committee,2008.
[10]国家标准化工作委员会.GB 50017钢结构设计规范[S].北京：中国标准出版社，2017.
[11]国家标准化工作委员会．电梯监督检验和定期检验规则自动扶梯与自动人行道：TSG_T7005-2012[S].北京：中国标准出版社，2017.
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/79492.html
