(完整版)毕业课程设计电梯结构设计

1.绪论 (1)

1.1电梯的发展历史 (1)

1.2CAD造型技术 (1)

1.3有限元分析技术 (3)

1.4本课题主要任务 (4)

2.方案总体设计 (6)

2.1电梯的组成及其工作原理 (6)

2.2电梯的工作原理 (7)

2.3方案总体设计前的准备 (8)

2.4主要内容和要求 (8)

3.电梯主机承重梁结构设计 (10)

3.1.电梯主机承重梁受力分析 (10)

3.2承重梁不同工况下受力计算 (12)

3.3有限元建模计算 (13)

4.有限元的承重梁结构优化设计 (20)

4.2优化设计基本过程 (20)

4.3优化计算 (21)

4.3.1建立数学模型 (21)

4.4结果分析 (22)

结论 (24)

致谢 (24)

参考文献 (24)

1.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一一手柄开关操纵、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ProE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(Explicit Modeling)时期、基于历史记录建模(History — bas edSolids Modeling) 时期和同步建模(Synchr onousTechnology )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。

123 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C 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A rz 、/ ,

吊为：

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）。