全景汽车安全

工程研究考虑了带有直接安装扶手的 SGP 的属性。

作者：Iraklis Chatziparasidis 博士和 Dimitrios Giagopoulos 博士
本文首次发表于 2018 年伊斯坦布尔国际电梯和自动扶梯研讨会。 有关 3 年 4 月 2019 日至 XNUMX 日在拉斯维加斯举行的活动的更多信息和参与，请访问 www.elevatorsymposium.org.

轿厢是最重要的电梯部件之一，因为它用于运送货物和人员，因此受到每个国家或其他 AHJ 不同的严格立法和标准的约束。 同时，轿厢通常是最终用户可见的电梯的唯一功能部件。 这一事实使汽车成为建筑物的建筑和装饰元素。 建筑的最新趋势是使用完全透明的玻璃建筑元素。^[1] 无框玻璃全景电梯（图1）不仅顺应了这一趋势，也延伸了建筑的美感。 然而，玻璃是一种易发生疲劳破坏的脆性材料，这一特性使得材料承载能力的验证主要基于实验研究。^[2] 在使用有限元 (FE) 方法对玻璃部件的行为进行建模的领域已经进行了一些研究，但这些研究主要是针对建筑施工领域的静态载荷情况进行研究。^{[1、3 和 4]} 在这项工作中，我们首先提出了一种在电梯运行期间可能发生的动态情况下对玻璃组件进行建模的方法——例如，当电梯的安全装置在紧急停止期间被激活或轿厢撞到坑缓冲区时。 其次，我们将上述方法应用于使用夹层玻璃和坚硬 SentryGlas 的全玻璃、无框全景汽车分析^® Plus (SGP) 将扶手直接安装在玻璃元件上。 最后，我们通过将当前 EN 81-xx 标准要求与上述分析的数值和实验结果进行比较来讨论安全问题。

EN 标准要求

在本节中，我们介绍当前欧洲规范 (EN) 对电梯轿厢扶手功能的要求：

“EN 81-20

“5.4.3.2.4 玻璃在墙壁上的固定应确保在两个行驶方向遇到的所有冲击条件下，包括安全装置的操作，玻璃不会从固定装置中滑出。

“5.4.3.3 玻璃放置在距地板 1.10 m 以下的轿厢壁应在 0.90 m 和 1.10米。 该扶手应独立于玻璃固定。

“EN 81-70

“5.3.2.1 轿厢的一侧壁至少应设置扶手。 该扶手的抓握部分的横截面尺寸应在 30 毫米到 45 毫米之间，最小半径为 10 毫米。 墙壁和抓握部分之间的自由空间应至少为 35 毫米。 抓握部分上边缘的高度应在离轿厢地板（900±25）mm以内。 如果轿厢操作面板位于同一墙壁上，则扶手应中断，以避免阻碍按钮或控件。 扶手的突出端应关闭并转向墙壁，以尽量减少受伤的风险。

“EN 81-71

“5.4.1.7 对于第 2 类电梯，任何扶手应能够在其最不利的点支撑 2,500 N 适用于任何方向。”

根据 EN 81-20，扶手应独立于玻璃固定。 此外，根据“欧洲玻璃部件结构设计指南”，^[5] 当使用聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 夹层的夹层玻璃板破裂时，它会折叠并向下坠落。 在图 2 中，展示了使用 PVB 中间膜的普通夹层玻璃面板的失效模式。 这意味着在全景车内的类似情况下，乘客将面临从车上掉下来的危险，而他们与间隙之间的唯一障碍就是扶手。 这种情况证明上述 EN 81-20 要求是合理的。 然而，很明显，与最常见的电梯类型（EN 81-20 和 EN 81-70）相关的 EN 标准并未对乘客扶手提出任何特定的机械强度要求。 与 PVB 相比，SentryGlas 夹层的强度是传统层压材料的 100 倍，硬度高达 3 倍。 SentryGlas 夹层可制造更坚固的夹层玻璃，可抵御风暴、撞击和强力爆炸。 图 XNUMX 显示了三种类型的玻璃面板的破损后行为。

有限元模拟动态实验验证方法 (SEVaM)

为了准确模拟汽车电梯内动态情况下夹层玻璃组件的行为，开发准确的有限元分析程序非常重要。 这里介绍的工作基于之前的工作，我们展示了应用适当的数值和实验方法来准确预测电梯系统中的关键点的动态响应和识别的优势。^[6-11]

SEVaM 是在之前的研究工作中开发的，[7] 在这里被应用于使用刚性 SGP 夹层部署夹层玻璃面板的无框全景汽车。 目标是准确模拟整个电梯系统的动态行为，特别是直接在轿厢玻璃上的扶手悬挂装置。 为了实现这一点，有必要验证用于模拟的有限元模型的准确性，这涉及数值和实验方法相结合的应用。 SEVaM 使用部分有限元模拟实验来模拟更大的产品配置。

在 SEVaM 中，主要的实验组件首先被划分为其主要的功能子系统。 为每个子系统构建基于相应 3D 计算机辅助设计 (CAD) 模型的初始 FE 模型。 然后，为每个子系统建立相应的实验结构。 图 4 中显示的程序用于验证初始实验产品的准确性。 对于每个子系统，通过实验测量加速度值并将其作为激励力传递给有限元模型，并执行动态分析。

从有限元结果中，可以识别出高应力区域。 在实验结构中，应变笼放置在高应力区域（通过有限元分析确定），并通过实验测量应力。 如果计算和实验应力值不一致，则应用有限元模型更新方法； 否则，认为有限元模型得到验证。 当子系统的有限元模型被验证后，实验结构被合成以形成完整的组件，并构建完整的有限元模型。 实验测量值也被记录下来并与计算出的 (FE) 值进行比较。

玻璃面板的有限元模型验证

第一步是开发玻璃面板的高保真有限元模型。 为此，有必要优化玻璃面板的数值有限元模型，包括悬挂部件。 已经提出了基本的结构模型更新方法来协调数值（FE）模型与实验数据。^[12] 基于测量模态数据的结构模型参数估计^[13-19] 通常被表述为度量中的加权最小二乘估计问题，测量测量和模型预测的模态特征之间的残差。

带有悬浮组件的玻璃面板的几何形状主要由实心四面体单元离散化。 一些合适的软件用于有限元模型的开发和求解。^[20＆21] 实验装置的详细有限元模型如图 5 所示。图 6 显示了标称有限元模型预测的两个典型特征模态。在标称有限元模型开发后，对实验装置进行了实验模态分析量化其动态特性。 该系统在固定自由边界条件下进行了测试。 首先，确定框架子结构响应所需的频率响应函数 (FRF) 矩阵的所有必要元素都是通过施加脉冲载荷来确定的。^{[12, 19 & 22-24]} 测得的频率范围为 0-2,048 Hz，其中包括感兴趣的分析频率范围 0-400 Hz。 初步调查表明该框架在此范围内有六个固有频率。 实验装置的示意图如图 7 所示。在此图像中，显示了两个三轴加速度计（A1、A2）和两个应变仪（SG1、SG2）的位置。

图 8 显示了应用威尔士平滑方法之前（实线）和之后（虚线）的 FRF 矩阵的两个典型元素的大小，这些元素由上述实验装置记录。

基于测量的 FR 函数，估计框架子结构的自然频率和阻尼比。 作为上述程序的结果，表 1 的第一列显示了最低的六个固有频率 ( rE) 的系统，而相应的阻尼比包含在第四列中。 在同一张表中，第二列表示从标称有限元模型分析中获得的固有频率值（神经功能因子)，第三列将这些频率与相应的频率进行比较

由实验数据获得的频率。 名义有限元模型和实验测量之间确定的误差是微不足道的，表明有限元模型更新过程是必要的。

有限元模型参数化和更新结果

引入了实验装置的有限元模型的参数化，以证明所提出的有限元模型更新方法的适用性。 参数化模型由六个部分组成（图 9）。 在这些部件中的每一个中，杨氏模量和密度都用作设计变量。 因此，设计参数的最终数量是 12 个变量。 表 2 显示了在每个参数中设置的初始值，这些初始值与标称有限元模型的上限和下限相同，它们被选为用于优化过程。 表格的最后一列显示了设计步骤，对于所有情况，其设置为各自先前值的 1%。 有限元模型使用表 1 中显示的最低的六个已识别模态频率和模式振型进行更新。已识别的模态振型包括所有四个传感器位置的分量。

有限元模型更新方法的结果如表 3 所示。该表显示了已识别的（ rE) 和最佳有限元预测模态频率 (  罗孚).

完整的电梯系统有限元分析

使用无框全玻璃轿厢的完整电梯系统的有限元模型是在验证之前实验设置的有限元模型之后建立的。 在瞬态响应分析中对完整模型进行数值求解，以计算产生的最大应力（图 10）。

基于上述整个过程的结果，设计开发了一款全玻璃无框全景电梯（图10）。 在由紧急安全装置接合等引起的动态负载条件下，它可以在玻璃部件上实现最小的设计应力。 该设计还通过完整系统的新实验设置进行了验证（图 11），其中 SG 标签指示应变计传感器的放置位置。

带玻璃扶手的无框全玻璃汽车 — FE 信号分析

在验证了电梯的有限元模型后，我们继续对玻璃部件上的扶手悬挂进行建模。 图 13 显示了完整的有限元模型视图，其中模拟了扶手上的集中力。 选择的力靠近大玻璃的自由边缘施加，这构成了出现应力的最坏情况。

研究了两种不同的情况。 在情况 1 中，在水平方向上施加 3,000 N 的力，而在情况 2 中，在垂直方向上施加 2,000 N 的力。

数值结果

对有限元模型进行数值求解，以计算给定载荷下玻璃表面产生的最大应力。 在情况 1 中，计算出的最大应力为 26.9 MPa（图 14）。 该值远低于热钢化玻璃 (120 MPa) 或热强化玻璃 (70 MPa) 的特征弯曲强度。[5] 在案例 2 中，计算出的最大应力为 9.3 MPa（图 15）。 该值远低于35-55 MPa的公称拉应力^[1] 用于 6 毫米板厚。

接下来，对有限元模型进行数值求解，以计算在给定载荷下在隔离的 SGP 夹层表面中产生的最大应力。 在案例 1 中，计算出的最大应力为 14 MPa（图 16），对于案例 2，计算出的最大应力为 4.9 MPa（图 17）。 这两个值都低于 Callewaert、Delincé、Sonck、Belis 和 Van Impe 提出的 SGP 拉伸强度。^[25]

结论

我们质疑 EN 81-20 要求将扶手独立于玻璃固定，同时主要的 EN 81-xx 标准对扶手强度没有具体要求。 我们讨论了在具有完全折叠的 PVB 夹层的玻璃面板的情况下可能出现的安全问题，并研究了使用具有 SGP 夹层的玻璃面板（以及直接安装在其上的扶手）是否可以提供相同的安全问题或者比 EN 81-20 要求更高的安全级别。 为了对这个概念进行实验测试，我们使用了建议的 SEVaM。 该方法已成功用于全玻璃无框全景电梯轿厢案例研究的模拟实验中。 实验测量用于验证有限元模型，该模型用于计算由扶手在玻璃面板和 SGP 夹层表面引起的应力。 有限元分析的数值结果表明，使用带有 SGP 夹层的玻璃面板可以承受由扶手引起的应力，甚至高于 EN 81-71 对防破坏 2 类电梯的要求。 根据这些数值结果，即使在破损后的情况下，也能保持高度的安全性。

未来的工作

这项工作的下一步是研究使用 SGP 夹层的碎玻璃板的机械性能。 考虑到载荷大小、载荷施加持续时间和温度，对这些玻璃面板在破损后情况下的行为进行实验研究将是对这项工作的非常有用的补充。

案例
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