Análise estrutural assistida por computador do sistema de cabine e estrutura do elevador em condições operacionais de parada de emergência.

Por Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams e Nawar Al-Esawi | Engenharia | Janeiro 1, 2022

Tempo de leitura: 8 minutos

Visão geral da IA

Este trabalho apresenta uma análise por elementos finitos assistida por computador da estrutura de uma cabina de elevador sob parada de emergência por sobrecurso, envolvendo um amortecedor de dissipação de energia. A dinâmica do amortecedor é modelada por meio de um modo fundamental de corpo rígido e resolvida para V = 2 m/s com diferentes taxas de amortecimento, a fim de obter as forças e deflexões do amortecedor. A análise por elementos finitos na viga do amortecedor resulta em tensões máximas de flexão de 142.4 e 112.9 MPa, abaixo do limite de 189.6 MPa da norma ASME A17.1, e deflexões máximas de 0.9687 e 0.7679 mm, dentro dos critérios de vão admissível. Os resultados indicam deformações e tensões potencialmente elevadas durante o amortecimento e o suporte, utilizando o modelo para avaliar o carregamento no pior caso e otimizar o projeto da estrutura da cabina para maior segurança.

Os autores descrevem o modelo CAA em relação às previsões de estresse na cabine.

por Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams e Nawar Al-Esawi

Este artigo foi apresentado inicialmente no Simpósio Online sobre Tecnologias de Elevadores e Escadas Rolantes, realizado de 23 a 25 de setembro de 2020 pela Universidade de Northampton, Reino Unido; para mais informações, visite [link para o site]. liftsymposium.org.

Palavras-chave: Carro, Chassi, Amortecimento, Dinâmica, Flexão, Deflexões, Tensão Admissível

Abstrato. Este artigo apresenta um modelo de Análise Auxiliada por Computador (AAC) de um sistema de cabine e estrutura de elevador. A análise estrutural é realizada pela aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF) para prever as respostas e tensões que surgem no sistema em condições de emergência. O cenário de emergência apresentado no artigo envolve um evento de colisão com o amortecedor que ocorre durante o sobrecurso da cabine. O modelo pode então ser usado para otimizar o projeto e garantir a operação segura do sistema.

Introdução

Os sistemas de transporte vertical (STV), como elevadores, são elementos essenciais no ambiente construído, especialmente em edifícios altos. É extremamente importante que o projeto dos STV proporcione um serviço eficiente e seguro aos ocupantes e usuários do edifício.

As cargas dinâmicas atuam sobre os componentes do sistema de elevador durante a operação normal e em situações de emergência. Nesses casos, podem ocorrer altos níveis de tensões dinâmicas na estrutura da cabine do elevador. Para atender aos requisitos das normas de segurança e aos critérios de serviço aceitável, é fundamental um conhecimento profundo dos princípios e modelos de engenharia aplicados na realização dos cálculos do sistema.

O objetivo deste trabalho é demonstrar uma solução e análise assistida por computador das respostas dinâmicas que surgem durante um cenário de emergência. A parada de emergência é iniciada quando a cabina ultrapassa o piso terminal designado na parte inferior da caixa do elevador. As cargas dinâmicas que surgem durante o evento são determinadas e aplicadas na análise estrutural por elementos finitos (FEM) dos componentes estruturais da cabina.

Ultrapassagem do limite do veículo e parada de emergência

O mecanismo de parada por sobrecurso consiste em amortecedores sob o carro (e frequentemente sob o contrapeso). Três tipos de buffer são permitidos pelos códigos de segurança.: buffers lineares de acumulação de energia; buffers não lineares de acumulação de energia; e buffers de dissipação de energia. Considere um cenário em que o carro colide com um buffer de dissipação de energia (Figura 1).

Figura 1: Carro em descida atingindo um amortecedor de dissipação de energia.

A equação do movimento descreve a dinâmica do sistema quando o carro está viajando em alta velocidade. V um buffer de dissipação de energia (evento de buffer) é acionado e é dado como

onde g é a aceleração da gravidade, x é o deslocamento, M é a massa do conjunto da estrutura do carro, c representa o coeficiente de amortecimento e k denota o coeficiente de rigidez do amortecedor. O amortecedor que atua na placa de impacto é determinado como

Neste modelo da estrutura do carro, a dinâmica do amortecedor é representada pelo modo fundamental com a estrutura do carro tratada como um corpo rígido. Resolvendo a equação de movimento (1), a força do amortecedor pode então ser facilmente avaliada a partir da equação (2).

Análise estrutural do conjunto da carroceria

Para determinar as deformações dinâmicas e os níveis de tensão do conjunto carro-chassi, o sistema pode ser analisado pela aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF). O comportamento da estrutura é então representado pela seguinte equação:

onde [M] é a matriz de massa, [C] é a matriz de amortecimento, [K] é a matriz de rigidez, é o vetor de carga e denota o vetor de deslocamento.

Modelo CAD

O conjunto da cabine do elevador é uma combinação de três componentes distintos: carroceria (envoltório), estrutura de sustentação (estrutura) e plataforma da cabine. Um modelo CAD utilizado no estudo é mostrado na Figura 2.

Análise dos Modos Fundamentais do Sistema de Amortecedores Carroceria-Chassi

A equação (1) pode ser reformulada em termos dos parâmetros do modo fundamental como

onde é a taxa de amortecimento e representa a frequência fundamental do sistema de amortecimento da estrutura do carro.

A equação (4) é então resolvida considerando a velocidade do carro de 2 m/s, a taxa de amortecimento z = 0.25, 0.75 e a frequência fundamental assumida como 1.63 Hz, respectivamente. Os resultados são mostrados na Fig. 3.

Figura 3(b): Deslocamentos do modo fundamental e as forças de amortecimento correspondentes

As deflexões dinâmicas são mostradas na Figura 3 (a) e as forças de amortecimento são ilustradas na Figura 3 (b), respectivamente.

A classificação dos amortecedores baseia-se na frenagem do veículo a partir de 115% da velocidade nominal (a velocidade de desarme elétrico do limitador de velocidade). Códigos de segurança Estipula-se que o curso total possível dos amortecedores de dissipação de energia deve ser pelo menos igual à distância de parada por gravidade. Considerando que o carro atinge o amortecedor na velocidade nominal e a distância de parada por gravidade, para a velocidade nominal de V = 2 m/s, é calculado como = 0.2696 m, é evidente que as deflexões máximas do amortecedor são menores que o curso mínimo do amortecedor.

Simulação por Elementos Finitos e Resultados

Na simulação FEM do conjunto da estrutura do carro, a estrutura da viga do canal de amortecimento é selecionada. As tensões de flexão (Figura 4) e os níveis de deflexão (Figura 5) são determinados sob as condições de carga máxima, conforme ilustrado na Figura 3 (b).

Figura 4: Resultados da simulação por elementos finitos: tensões de flexão

As tensões máximas admissíveis na placa de amortecimento da estrutura do carro, sob as condições de amortecimento especificadas na norma ASME A17.1, são de 189.6 MPa (27,500 psi). É evidente que, sob as condições de carregamento consideradas, os níveis máximos de tensão (determinados como 142.4 MPa e 112.9 MPa, respectivamente) não excedem o valor admissível. A prática comum para lidar com cargas que atuam na estrutura da viga de amortecimento (placa de segurança) é garantir que as deflexões não sejam superiores a Considerando o comprimento do vão de 2350.7 mm, as deflexões máximas (determinadas como 0.9687 mm e 0.7679 mm, respectivamente) estão dentro da faixa aceitável.

Conclusões

A análise e os resultados apresentados neste artigo demonstram que grandes deformações e níveis de tensão podem ocorrer em um sistema de elevador durante uma parada de emergência acionada pelo sobrecurso da cabina. A tensão e a deflexão nos canais de amortecimento precisam ser avaliadas no pior cenário de operação. Isso pode ocorrer durante eventos de amortecimento, como demonstrado neste artigo.

Referências

[1] S. Mirhadizadeh, S. Kaczmarczyk, N. Tongue, H. Al-Jelawy, P. Feldhusen, W Delk, K. Anderson, F. Dudde, “Modelagem e simulação computacional de interações aerodinâmicas em sistemas de elevadores de arranha-céus”. Anais do 5º Simpósio sobre Tecnologias de Elevadores e Escadas Rolantes. Volume 5, setembro de 2015, Northampton, Reino Unido, pp. 117–123.

[2] JP Andrew e S. Kaczmarczyk, Engenharia de Sistemas de Elevadores. Elevator World, Mobile, AL (2011).

[3] British Standards Institution, Regras de segurança para a construção e instalação de elevadores — Elevadores para o transporte de pessoas e mercadorias Parte 20: Elevadores de passageiros e de passageiros de mercadorias. BS EN 81-20:2014.

[4] SS Rao, Vibração Mecânica. Prentice Hall, Singapura (2005)

Nota do editor: Os autores são membros da Faculdade de Artes, Ciências e Tecnologia (FAST) da Universidade de Northampton, University Drive, Northampton NN1 5PH, Reino Unido.

colunas

Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams e Nawar Al-Esawi

Mohammad Ghaleeh é professor sênior de engenharia na Universidade de Northampton. Ele obteve seu doutorado em durabilidade de juntas de solda sob carregamento termomecânico: aplicação às ligas substitutas sem chumbo Sn-37Pb e Sn-3.8Ag-0.7Cu pela Universidade Heriot-Watt. É especialista em análise de elementos finitos aplicada a problemas de mecânica estrutural, possui experiência em engenharia de projeto de materiais e atuou como analista de materiais e estruturas nas indústrias de petróleo e gás, automotiva, entre outras. Seus interesses de pesquisa relacionados ao projeto incluem a durabilidade de juntas estruturais sob carregamento termomecânico, com foco em engenharia de projeto, materiais de engenharia e análise estrutural/modelagem por elementos finitos.

Stefan Kaczmarczyk é professor de mecânica aplicada e coordenador do programa de pós-graduação em Engenharia de Elevadores na Universidade de Northampton. Sua especialização é na área de dinâmica aplicada, com aplicações específicas em sistemas de transporte vertical e movimentação de materiais. Ele é Engenheiro Certificado, membro da Instituição de Engenheiros Mecânicos e membro da Academia de Ensino Superior.

Shafqat Rasool é professor de engenharia (Engenharia Mecânica e Projeto) na Universidade de Northampton. Ele obteve seu doutorado na Universidade de Tecnologia de Delft por sua pesquisa sobre a durabilidade de compósitos termoplásticos sob carregamento de fadiga. Também trabalhou como pesquisador de pós-doutorado em projetos focados no processamento de resinas em pó e no monitoramento da integridade estrutural de compósitos espessos. Seus interesses de pesquisa incluem durabilidade e integridade estrutural de materiais e estruturas compósitas. Ele possui ampla experiência em investigação experimental, projeto e desenvolvimento de compósitos.
Dispositivo de teste, testes e medições e análise de falhas.

Jonathan Adams formou-se em Engenharia Elétrica e Eletrônica pela Universidade de Bradford em 1990. Possui um certificado em educação pela Universidade de Leicester, um mestrado em educação continuada pela Universidade de Warwick e um doutorado em educação em engenharia. Sua experiência profissional é na indústria de elevadores, onde trabalhou por quase 10 anos. Trabalha na Universidade de Northampton há mais de 20 anos, especializando-se em educação a distância para o setor de elevadores. Atualmente, é chefe do Departamento de Engenharia e Tecnologia. Seus interesses de pesquisa incluem estratégias de ensino e aprendizagem utilizadas na educação continuada e em engenharia, bem como o uso de métodos eletrônicos para ministrar, avaliar e dar suporte ao ensino. Adams é professor assistente na Universidade de Northampton.

Análise estrutural assistida por computador do sistema de cabine e estrutura do elevador em condições operacionais de parada de emergência.