Kako se urbanizacija ubrzava i broj visokih{0}} zgrada nastavlja da raste, liftovi, kao osnovna oprema za vertikalni transport, nalaze sve širu primjenu. Prema industrijskim statistikama, u mojoj zemlji postoji skoro 1.000 proizvođača liftova, a tržišna konkurencija je sve jača. Smanjenje troškova i povećanje efikasnosti kroz optimizaciju proizvoda postalo je ključno pitanje za industriju. Vučna dizala, kao glavni tip dizala, sazrela su svoju prateću tehnologiju nakon jednog stoljeća razvoja. Njihova struktura se sastoji od osam glavnih sistema: vučnog sistema, sistema automobila i sistema vođenja. Sistem automobila direktno nosi opterećenje, dok okvir automobila, kao strukturni okvir automobila, ima dizajn koji direktno utiče na sigurnosne performanse lifta i troškove proizvodnje. Prekomjerna masa okvira automobila može dovesti do rasipanja materijala i suvišnog dizajna; dok suviše mala težina može ne ispuniti zahtjeve za opterećenje, što predstavlja opasnost po sigurnost.
Proveli smo istraživanje optimizacije strukture okvira kabine vučnog lifta, koristeći softver za numeričku simulaciju za analizu statike i dinamike okvira. Ovaj pristup nam omogućava da postignemo lagani dizajn, istovremeno osiguravajući strukturnu sigurnost, pružajući praktično rješenje za poboljšanje ekonomske efikasnosti za preduzeća.
1. Mehanička analiza okvira kabine lifta: Osnove optimizacijskog dizajna
Kako bi osigurao naučno i pouzdano rješenje za optimizaciju, istraživački tim je prvo koristio profesionalni softver za numeričku simulaciju kako bi izvršio sveobuhvatnu analizu mehaničkih svojstava okvira kabine lifta u različitim radnim uslovima, pružajući podršku podacima za kasniji dizajn lake težine.
1.1 Statička analiza: performanse naprezanja pod nazivnim i uslovima preopterećenja
Statička analiza se fokusirala na nazivne radne uslove i uslove ekstremnog preopterećenja normalnog rada lifta. Njegov osnovni cilj bio je simulirati distribuciju naprezanja i pomicanje okvira automobila uspostavljanjem preciznog strukturnog modela. Tokom istraživanja, tim je prvo konstruisao 3D strukturni model okvira automobila koristeći SolidWorks softver, a zatim uvezao model u Abaqus softver za analizu u x_t formatu. S obzirom na složenu strukturu okvira automobila, da bi pojednostavili proračune i održali tačnost analize, izostavili su male detalje kao što su spojevi, zavari, vijci i ivice. Glavna struktura je tada pretvorena u školjku, a komponente kao što su povratna remenica, sigurnosna stezaljka i vodilica su pojednostavljene na kruta tijela. Postavke parametara su zasnovane na stvarnim radnim standardima lifta, sa snagom vučnog motora od 11,7 kW, težinom automobila od 1100 kg, nazivnom brzinom od 1,75 m/s, nominalnim opterećenjem od 1050 kg i visinom dizanja od 82,5 m. Horizontalna ograničenja su primijenjena na model kako bi se simulirala stvarna težina, pritisak automobila i pritisak tereta koji nosi okvir automobila. Za umrežavanje su korišteni S4R elementi, sa veličinom mreže od 10 mm, što je rezultiralo sa 590.350 čvorova i 431.287 elemenata, čime je osigurana tačnost modela.
Rezultati analize pokazuju da pod nominalnim radnim uslovima, maksimalno naprezanje u okviru automobila iznosi 138,9 MPa, što je daleko ispod granice tečenja materijala. Maksimalno naprezanje se javlja na kontaktu između gume protiv vibracija i bočnih greda okvira automobila, što rezultira lokaliziranom koncentracijom naprezanja zbog kontaktne kompresije. Međutim, ovo koncentrisano područje pokriva samo dva mrežasta elementa i ima minimalan utjecaj na cjelokupno opterećenje okvira automobila. Proračuni pokazuju da je omjer granice tečenja materijala i 1,5 puta faktor sigurnosti 156,7 MPa (235 MPa/1,5), a maksimalno naprezanje od 138,9 MPa zadovoljava sigurnosne zahtjeve.
Pod uslovima preopterećenja od 125%, maksimalno naprezanje u okviru automobila raste na 296,2 MPa, ponovo koncentrisano na kontaktnoj tački između anti-gume protiv vibracija i bočnih greda rama automobila. Područje koncentracije naprezanja proširuje se na četiri ćelije mreže, ali je njegov utjecaj na ukupni strukturalni napon i dalje ograničen. Osim područja koncentracije naprezanja, maksimalno naprezanje u preostalim područjima iznosi 166,4 MPa. Iako je niža od granice popuštanja materijala, ne ispunjava zahtjeve sigurnosnog faktora 1,5 puta. Nadalje, maksimalni kumulativni pomak okvira automobila je 9,5 mm, što zahtijeva izbjegavanje dugotrajnog-preopterećenja u stvarnoj upotrebi.
1.2 Dinamička analiza: provjera sigurnosti konstrukcije u ekstremnim radnim uvjetima
Dinamička analiza se fokusira na ekstremne rizične uslove tokom rada lifta{0}}spuštanja kabine i kočenja u slučaju nužde. U ovim uslovima, brzina i ubrzanje okvira automobila se dinamički menjaju tokom vremena. Prolazne dinamičke simulacije se izvode pomoću Abaqus Explicit modula. Početna brzina je brzina kontakta između tampona i okvira automobila, a amplituda stvarne promjene brzine tokom rada se unosi kako bi se simulirao dinamički odgovor konstrukcije na naprezanje.
Rezultati simulacije pokazuju da kada se automobil spusti, dolazi do velikih koncentracija naprezanja na dodirnoj tački između odbojnika i okvira automobila, a neke komponente podliježu plastičnoj deformaciji zbog prevelikog naprezanja. Na 0,084 sekunde nakon dna, maksimalno naprezanje na tački udara dostiže 248,2 MPa. Iako ovo ne prelazi granicu čvrstoće materijala od 400 MPa i sprečava ukupni kvar konstrukcije, okvir automobila gubi sposobnost normalnog rada. Stoga su sveobuhvatni sigurnosni sistemi zaštite od suštinskog značaja u dizajnu i radu lifta kako bi se spriječilo spuštanje automobila. U uvjetima naglog kočenja, maksimalna vrijednost naprezanja okvira automobila je 229,1MPa, što je niže od napona tečenja materijala, a raspon djelovanja naprezanja je mali, što neće predstavljati prijetnju sigurnosti konstrukcije. Ovo pokazuje da sistem kočenja u slučaju nužde lifta može efikasno osigurati stabilnost strukture okvira automobila.
2. Optimizacijski dizajn gornje poprečne grede okvira automobila: Lagano rješenje na djelu
Na osnovu rezultata mehaničke analize, istraživački tim je otkrio da ukupni napon okvira automobila ispunjava sigurnosne zahtjeve i ima značajne sigurnosne margine tokom normalnog rada, što ukazuje na potencijal za optimizaciju lagane težine. Daljnjom analizom raspodjele naprezanja svake komponente identificirana je gornja poprečna greda kao cilj optimizacije jezgre-njene vrijednosti naprezanja u različitim radnim uvjetima bile su znatno ispod granice materijala, što ukazuje na najveći potencijal optimizacije.
2.1 Određivanje varijabli i metoda optimizacije
S obzirom na stabilnost cjelokupnog strukturalnog izgleda okvira automobila, odlučili smo da ne mijenjamo ključne dimenzije kao što su dužina, visina savijanja i ukupna visina gornje poprečne grede. Fokusirali smo se isključivo na debljinu gornje poprečne grede kao jedinu varijablu optimizacije kako bismo izbjegli utjecaj na ravnotežu naprezanja drugih komponenti zbog strukturalnih prilagodbi. Metoda optimizacije koristila je pristup "smanjenje korak-po-korak, počevši s originalnom debljinom od 6 mm i smanjivanjem debljine za 0,5 mm odjednom. Kroz višestruke simulacijske analize, provjerili smo performanse naprezanja i sigurnosni status gornje poprečne grede s različitim debljinama, te na kraju odabrali optimalno rješenje.
2.2 Poređenje performansi i kvaliteta prije i poslije optimizacije
Višestruki krugovi simulacijske verifikacije potvrdili su da je smanjenjem debljine gornje poprečne grede sa 6 mm na 4 mm postignuta optimalna ravnoteža između strukturnih performansi i male težine. Što se tiče performansi naprezanja, maksimalno naprezanje gornje poprečne grede prije optimizacije bilo je samo 17,08 MPa, znatno ispod granice popuštanja materijala. Nakon optimizacije, maksimalno naprezanje je poraslo na 139,5 MPa, još uvijek ispod sigurnosnog praga od 156,7 MPa, zadovoljavajući zahtjev za faktor sigurnosti od 1,5x i demonstrirajući stabilne i pouzdane mehaničke osobine.
Što se tiče smanjenja težine i kontrole troškova, nakon optimizacije, masa jedne gornje poprečne grede je smanjena sa 29,95 kg na 22,46 kg, smanjenje težine od 7,49 kg po gredi i stepen lakšeg opterećenja od 25%. Smanjena masa gornje poprečne grede također indirektno smanjuje ukupno opterećenje-nosivost okvira automobila, dodatno optimizirajući stanje naprezanja cijelog sistema automobila, formirajući pravi ciklus "lakog - malog opterećenja - veće sigurnosti".
3. Zaključci istraživanja i vrijednost industrije
Ovo istraživanje optimiziranog dizajna konstrukcije okvira kabine vučnog lifta, kroz naučnu mehaničku analizu i preciznu optimizaciju parametara, dalo je sljedeće ključne zaključke: Prvo, maksimalno naprezanje u okviru vagona pod nominalnim radnim uslovima iznosilo je 138,9 MPa, a maksimalno naprezanje u ne-koncentrisanim područjima pod uslovima preopterećenja je 166,4 MPa, oba ispunjavaju osnovne mehaničke zahtjeve. Drugo, konstrukcija nije pretrpjela ukupna oštećenja u uvjetima dna automobila i kočenja u slučaju nužde, ali rizik od dna automobila ostaje zabrinut. Treće, optimizacijom debljine gornje poprečne grede sa 6 mm na 4 mm, očuvane su sigurnosne performanse uz postizanje cilja smanjenja težine od 25%.
Iz perspektive industrije, ovo istraživanje pruža proizvođačima liftova praktično rješenje za{0}}uštedu troškova i efikasnost{1}}. Smanjenjem debljine gornje poprečne grede, proizvođači mogu direktno smanjiti upotrebu sirovina kao što je čelik, čime se smanjuju troškovi proizvodnje. Štaviše, lagani okvir automobila smanjuje potrošnju energije tokom rada lifta, poboljšavajući ukupnu energetsku efikasnost opreme. Osim toga, metoda "mehaničke analize - varijabilnog screeninga - korak-po-optimizacija koraka" korištena u istraživanju također pruža referentnu paradigmu za optimizirani dizajn drugih strukturnih komponenti u industriji liftova, promovišući transformaciju industrije od "empirijskog dizajna" u "podatak-" i pomaže u postizanju ravnoteže između dizajna podataka- i višeg nivoa sigurnosti. ekonomija.
