ANSYS仿真解决方案让“电梯悲剧”不再重演！
年轻妈妈向柳娟在湖北荆州7·26电梯事故中不幸离世，引起公众对电梯安全的高度关注。荆州市事后成立了专项调查组，正在对事故的原因进行调查。给出以下事故产生的原因：
据不完全统计，仅7月以来，全国发生4起“电梯吃人”事故，造成人员伤亡。发生在各地的多起电梯“吃人事件”，拷问着公共安全。近年来，随着身边越来越多电梯的出现，电梯事故也频频被曝出。
悲剧是如何发生的？是谁忽视安全留下这样的隐患？血的教训，带来哪些警示？从电梯设计上来说，如何在电梯设计阶段就避免设计缺陷，在电梯设计初期就应引入仿真，避免悲剧重演。
ANSYS作为全球领先的仿真公司在有关电梯，升降机设计制造中有着丰富的解决方案，分享ANSYSDesignSpace 帮助Champion升降机制造商满足更高的全新标准！
在管理严格的高层建筑施工行业，负责把工人、工具和材料运送到高楼上层的齿轮齿条式 升降机必须符合两套不同标准。一套标准包含建筑及电气法规，主要为规章制度。另一套属于 物理性质方面的安全标准。 Champion 升降机公司位于休斯顿霍比机场以西，是齿轮齿条式升降机设计与安装领域的公认领导者。除了建筑行业 — 其最大的市场外，Champion 升降机还用于近海石油与天然气钻探平台、炼油厂与发电厂、港口设施、船坞与船舶、建筑、塔架、钢铁厂以及桥梁。纽约市 的乔治华盛顿大桥使用了 6 部 Champion 升降机。 此外，Champion 升降机还用于矿山与隧道。Champion 升降机的基本设计是采用标准节段装配成塔架，采用刚性附着架固定到结构外部，配备有电动齿轮齿条驱动装置、金属板 升降吊笼、自动刹车装置（应对停电、超速或安全装置故障）以及位于塔架底部的弹簧式 缓冲器。塔架采用配备加强网的带槽方形管，以 5 英尺长节段进行组装。齿轮齿条式驱动装置的齿条预先安装在塔架外部。
德州休斯顿儿童医院大楼改扩建期间安装 Champion 升降机的照片。
根据近 30 年的从业经验，休斯顿 Champion升降机公司深刻了解遵守建筑法规的必要性。考虑到显而易见的风险，Champion 工程师对每项工作都会进行分析。 确保安全性和遵守法律法规，需要进行两种不同的工程分析：即采用 ANSYS 公司用于有限元建模和有限元分析 (FEM/FEA) 的 DesignSpace® 软件保障升降机的安全（主要是测量最大应力和确保足够安全裕量）。在其分析核心采用根据特定法规设计的梁建模器验证塔架是否符合法律法规要求。这些套件有时称为“杆建模器”，可实现塔架的快速建模与分析。与 DesignSpace 一样，梁建模器支持有限元建模与分析。P.E. 高级工程师 Bradley D. Oliver 解释道：“Champion 采用梁建模器针对相关规范生成的物理值可用作 DesignSpace 的输入数据。我们采用变形信息来验证是否符合规范要求，因为这是不同规范的表述方式。”他指出，“必须得到在每次安装中导致这些变形的力。它们通常是不同的。”Champion 使用的梁套件可以执行钢材、混凝土以及复合材料设计的静动态分析。它能够计算定制及组合型材的截面属性，包括面积、惯量、截面模量、重心、剪切中心与扭转常数。该套件基于美国土木工程师学会 (ASCE) 相关规范而开发，能够通过配置显示是否符合最基本建筑工程规范具体章节的要求。但是，如果离开 3D 固体网格剖分功能，梁建模器就无法生成足够用于计算应力的数据，其对安全裕量至关重要。 Champion 升降机公司重新设计的升降吊笼驱动装置及无平衡重座架的 ANSYS DesignSpace 屏幕图像。重新设计不仅提高了强度，使运载更平稳，同时还降低了重量。 它们无法非常有效地用于设计验证，而这正是 ANSYS 设计DesignSpace 的原因所在。Champion 升降机公司运行的所有分析软件均采用戴尔计算机 公司的 D-530 工作站，其支持英特尔双核 Xeon CPU、3.8G 随机存储存储器 (RAM)，工作频率为 1.5GHz。磁盘驱动器容量为 39GB。操作系统采用微软 Windows 2000 与 NT Server。使 Champion 升降机公司不同于其他竞争对手的是：其能够定制独特工程产品。从生产及经营角度看，它就是一座定制装配车间。其中没有装配线。每种产品的生产都符合 客户及Champion公司工程师决定的严格 规范。该公司有 150 名员工。Champion 把高层建筑施工视为其“商业”业务。这些安装几乎总都是临时性的，包括 翻修与拆除。在大多数情况下，这些系统都是租用的。Champion 拥有业界最大的此类装备“队伍”。建筑物内部和地下同样会面临众多此类高层建筑施工安全难题，不过商业环境却大相径庭。Champion 把这些或多或少永久性的设备归类为“工业”。
规范与设计细化
除了 ASCE，升降机公司必须遵守的法律法规还有很多：- UBC 防震法规另外，还存在 Champion 必须向系统安装所在市县核实的无数本地建筑规范。同时还要跟天气斗争。Oliver 指出：“在海岸线上，我们必须符合飓风标准。在关岛，我们必须确认装置是否能够抵抗每小时 125 英里及 150 英里大风的平行及垂直持续载荷。”风力载荷详细信息可在符合 ASCE规范的梁建模器中生成。 工程经理 Bob Meiresonne 补充道：“我们会分析每项工作。我们的产品可能是标准化的，但应用却总是多变的。必须验证合规性与安全裕量。做尽职调查的客户经常要求提供自动生成的标准化 DesignSpace 报告。” “在商业工作方面，我们一般只执行最坏情况分析，为客户提供针对建筑物连接的特定载荷指标。”Meiresonne 补充道，“有些附着件是标准产品，但有些却是根据建筑物外部、其使用寿命以及处理方式特别设计的。”对于海上石油平台，Champion 会把其分析结果提交给美国船级社 (ABS) 或挪威船级社 (DNV)。没有这些行业“分级机构”的批准会被拒保。Meiresonne 表示：“DesignSpace 真正有意思的是您能够真正地改进设计。在具体安装中，您可以确定最可能出现问题的地方。它会告诉您在何处强化设计，而不是只增加钢材。增加钢材会增加重量。梁建模器无法做到这一点。” 分析多点应力在公司 2000 年开始重新设计 产品时已变得至关重要，其可减轻重量， 降低成本，简化制造。 
墙脚趾（Champion 升降机公司用其将升降机吊笼轨道固定到现有墙壁）的 ANSYS DesignSpace 屏幕图像。采用 Champion 产品完成的每项任务几乎都可执行此类分析。 他补充道：“DesignSpace 可告诉您相关应力并非总是位于您认为的所在之处。这正是 DesignSpace 需要具体数值而非单纯规范提供标准数据的原因所在。在其它情况下，它会指出错误的假设，防止您在某个问题上只增加钢材。对此，重量至关重要。”Oliver 表示：“我们的分析工作总是从数学计算套件入手。我们使用数学套件导出用于输入到 DesignSpace 的力值，并使用从相关规范获得的实际数字进行分析。使用数学 套件是因为规范只为我们提供了结果和必须 达到的具体值。我们必须逆向操作，获得 规范各个部分的相关值。”梁建模器允许快速创建简单模型并通过解决方案引擎运行它们，该引擎将设计与相关 规范进行对比。结果是肯定或否定的。Oliver 表示：“这足以满足建筑规范、风暴防护、 ABS 与 DNV等要求。梁建模器可分析我们的塔架设计以及建筑物与结构受到的作用力。”他接着说，“这是非网格建模，但它远远超越了杆与简单固体单元、直线力以及横梁。”另外，Oliver 也喜欢 DesignSpace 可以显示所使用全部材料、钢材规格以及所有组件 尺寸的功能。他表示：“我们喜欢报告生 成器，经常用它进行尽职调查。首先，我们可获得良好的固体模型文件，然后将其导入DesignSpace。”他补充说，“我们一般就用这种方法获得尺寸和规格。”建模可在 Champion 的软件中完成，以充分满足计算机辅助设计的需求，不过同样未采用网格剖分功能。Champion 的所有 DesignSpace 分析都是针对静态载荷、而非动态载荷。 Champion 的设计工作力度主要集中在降低升降吊笼的重量与成本上。这一目的是双重性的：既要提高有效负载，进而提高客户利润，同时还要降**造与运输成本。Meiresonne 表示，完成设计后，基本塔架和升降吊笼结构就会保持不变。另外，Champion 重新设计了层门、升降塔架 顶部及底部门、把升降塔架固定到客户结构的系墙铁以及升降吊笼的预制钢脚。 主要重新设计了升降吊笼的结构，以便减轻重量，简化生产工艺并降低成本。Meiresonne 表示：“但我们遇到了几个问题。我们利用 DesignSpace 解决了这些问题。”最大的挑战之一并不是在吊笼内部，而是 在其下面，也就是无论发生任何故障时 确保安全、平缓落地的缓冲器。20 多年来，Champion 一直依赖 4 盘盘簧，其采用直径在 3/4 英寸以上的重型钢条制成。这些年来弹簧价格一直在攀升。重新设计后的吊笼采用两套聚氨酯减震器系统取代了这 4 盘弹簧。由于只需要 2 个缓冲器连接点而非 4 口弹簧箱，因此它们重量更轻，成本更低，而且制造也更简单。 墙脚趾（Champion 升降机公司用其将升降机吊笼轨道固定到现有墙壁）的 ANSYS DesignSpace 屏幕图像。采用 Champion 产品完成的每项任务几乎都可执行此类分析。“不过，吊笼下面采用 2 个而非 4 个接触点会让接触点上的应力加倍。”Meiresonne 指出， “由于各种原因，新的接触点并非位于吊笼中心正下方。这造成了偏心载荷。我们采用 DesignSpace 的‘微量分析’功能重新设计了具有锥形桁架的吊笼底部。” “在《升降机安全规范》定义的条件下承受的最大缓冲器负荷达到了升降吊笼地板下侧钢结构的屈服点，”Oliver 回忆道，“两个缓冲器向塔架偏移。这产生了Champion 以前未遇到的悬臂载荷。需要对桁架进行部分重新设计。但在一个案例中，我们只增加了一个简单的鱼尾板作为增强板。”最新层门不是由有电脑、有有限元软件的工程师设计的，而是由一名具有丰富经验的老员工经过人工计算设计的。Billy McCoy 总监主动创建了该设计并将其展示给创始人兼总裁 Walter Manning。Manning 非常喜欢他所看到的该设计，因此，其很快送到了 Oliver 的办公室进行审查。
他对其进行了载荷变形测试。相关规范要求门板承受 1125 磅负荷，变形不超过 0.75 英寸。DesignSpace 和实际测试证明 Champion 的门板变形不超过 0.3 英寸，远远低于相关标准的容许限值。Oliver 另外还分析了新 铰链和门框支架。 Oliver 和 Meiresonne 认为一种普通钢制品就是 DesignSpace 使用的最佳实例。这就是吊笼“支脚”，也就是叉式升降吊点和试验台支座 — 每个吊笼 4 个。“重新设计缩小了它们的尺寸，提高了强度。”Oliver 表示，“事实上我们获得了更好的安全系数，因此能够使用更轻的钢材。我们采用 DesignSpace 来为达到安全裕量要求提供保障。” 他补充道：“我们为每个升降吊笼节省了 45 磅钢材。尽管这可能看起来微不足道，但每个 Champion 塔架上无数次上下传送的载荷减少了 45 磅。” “我们喜欢 DesignSpace 是因为它的工作方式符合设计工程师使用材料、构建几何 结构和规格的方式。”Oliver 表示，“我们采用 DesignSpace 提供的应力确定安全系数， 采用报告生成器打印出所采取的所有步骤并在客户要求时随时生成相关结果。我们以类似 PowerPoint 的格式在报告中（在获取建模和计算中所使用值的位置）添加了许多注释。” Oliver 指出，购买驱动装置、刹车系统以及齿轮齿条组件，可简化 Champion 的分析需求。供应商负责完成此类分析。然后他补充道：“我们要求他们设计 8:1 的齿轮齿条安全裕量。”在确保符合上述规范之后，Champion 只需要分析和验证驱动系统的 对准与安装。 他和 Meiresonne 注意到，对塔架安装齿条 的唯一担心就是塔架部件的精确对准，以 实现顺利升降。这是一种现场安装考虑，其程度绝不亚于在休斯顿制造时的考虑。 升降颠簸、晃动或异响首先会被判定为安装不合格或设计不良。 在收紧制造和运输成本之后，Champion 这家私营企业生意兴隆。与大多数美国制造商不同，它把系统交付到太平洋沿岸地区生产成本低的国家生产。2002 年初在韩国成立了办事处。从 10 年前 35 人已经发展到了目前的 150 名员工。Champion 的核心市场建筑行业将在短期内缓解一定程度的经济衰退。建筑商通常会在经济必然复苏之前利用低利率优势进行开发。借助 DesignSpace 所实现的产品重新设计和持续分析，Champion 升降机公司已万事俱备。
