摘要：基于 APDL 软件， 对船用电梯井架进行参数化建模和有限元分析， 实现了电梯井架的快速设计、优化和分析。具体方法是 采用多面体拼接法对电梯井架进行几何建模， 然后定义参数化变量， 通过改变参数化变量的值来实现电梯井架的参数化设计。最 后利用有限元分析方法对电梯井架进行仿真分析。结果表明， 该方法能够提高设计效率， 减少制造成本， 同时也能保证产品质量。 因此， 在电梯井架的设计和制造中具有一定的应用价值。通过调整参数、进行工程设计的优化， 可以在设计阶段找到成本效益最 佳的设计方案，从而避免了在后期制造和维护过程中出现意外的高成本， 帮助预测维护成本和整个产品的生命周期成本。

　　关键词：APDL;船用电梯井架; 参数化建模; 有限元分析

　　Parametric Modeling and Simulation of Marine Elevator Derrick Based on APDL

　　Jiang Zhongren ，Yu Kaiyao

　　(Zhejiang International Maritime College, Zhoushan, Zhejiang 316021. China)

　　Abstract: Based on APDL software, the marine elevator derrick is parameterized and modeled with finite element analysis, and the rapid design, optimization and analysis of the elevator shaft are realized. The specific method is to use the polyhedron stitching method to geometrically model the elevator shaft, and then define the parameterized variables to achieve the parameterized design of the elevator shaft by changing the values of the parameterized variables. Finally, the finite element analysis method is used to simulate and analyze the elevator shaft. The results show that by using this method, the design efficiency can be improved, manufacturing costs can be reduced, and product quality can be ensured. Therefore, it has certain application value in the design and manufacturing of elevator shafts. By adjusting parameters and optimizing engineering, the most cost-effective design at the design stage can be found, avoiding unexpectedly high costs in the post- manufacturing and maintenance process, helping to predict maintenance costs and the lifecycle cost of the entire product.

　　Key words: APDL; marine elevator derrick; parameterized modeling; finite element analysis

　　引言

　　随着船舶建造技术的发展， 现代船舶中普遍安装了 电梯。电梯井架是电梯的支架结构， 其质量与可靠性直 接影响电梯的使用效果和安全性。因此， 对电梯井架进 行优化设计和性能验证至关重要[1]。船用电梯井架作为 船舶上承载电梯、维修电梯、通风等多种功能的设备， 其设计和制造质量直接影响到船舶的使用效果和安全性。 传统的电梯井架设计和制造流程繁琐，耗费时间，人力成 本较高[1]。因此，如何提高电梯井架的设计效率、减少制 造成本， 同时保证产品质量，是当前亟待解决的问题[2]。

　　在船舶设计中， 电梯井架是非常重要的一部分。电 梯井架的优化设计不仅关系到船舶的安全性能， 也关系 到电梯运行的效率和舒适度。为了实现电梯井架的优化 设计，需要对其进行参数化建模和仿真。

　　参数化建模和有限元分析是目前比较流行的电梯井 架设计和分析方法。其中， 参数化建模是将电梯井架设 计过程中的参数转化为可调节的变量， 通过改变这些变量的值来实现电梯井架的快速设计和优化[3]。有限元分 析是将电梯井架分割为有限个小单元， 然后利用有限元 方法对这些小单元进行数值求解，得到电梯井架的应力、 位移等信息，从而判断其结构的安全性和稳定性。

　　APDL(ANSYS Parametric Design Language )是一种 强大的工程仿真软件。通过 APDL 可以对电梯井架进行 力学分析和动力学分析， 进而实现优化设计。本文基于 APDL 软件， 对船用电梯井架进行参数化建模和有限元 分析， 旨在通过这种方法实现电梯井架的快速设计、优 化和分析。

　　1 船用电梯井架受力分析

　　船用电梯井架是船上电梯的主要支架， 承载电梯和 人员的质量， 起到安全稳定的作用。船用电梯井架的受 力分析可以保证电梯安全运行， 对于船舶的设计和维护 具有重要的意义。

　　( 1)构造和受力情况

　　图 1 为一艘运输船船用电梯井架的示意图。井架主要由上、下轮廓板和立柱构成， 安装在船体内部， 固定 在船体内甲板上。电梯井架的轮廓板和立柱之间通过螺 栓连接。电梯井架支撑着电梯， 分别承受电梯质量和负 荷质量。电梯井架还承受船体在航行时多个方向的振荡 和扭矩作用。

　　(2)受力分析方法

　　本文采用有限元分析方法对船用电梯井架的受力分 析进行计算。采用 ANSYS 软件建立电梯井架三维模型， 将电梯井架分成小单元， 通过计算每个小单元的应力和 变形，得出整个电梯井架的受力分布情况。

　　(3)结果分析

　　通过有限元分析得出的船用电梯井架受力状态显示， 井架的应力分布相对均匀， 主要集中于维持电梯和乘客 负载的立柱连接处。在这个位置， 井架的最大应力为 91 MPa， 远低于井架钢材的屈服极限， 表明井架具有足 够的承载能力。此外， 在船体航行时产生的各种载荷和 外载荷的作用下，井架受力状态保持稳定。

　　正是在这些环境下， 各个部件的设计和制造要求达 到了极大的程度， 在确保井架强度、刚性和稳定性的同 时尽可能减少质量， 为电梯的运行提供一个高效可靠的 支撑系统[4]。总的来说， 受力分析结果表明所分析的船 用电梯井架已经具备足够的安全性和稳定性。

　　通过对一艘运输船船用电梯井架的受力分析，得出以 下结论：船用电梯井架受力均匀，主要承受着电梯的自重 和负荷重量，应力分布均匀;在船体航行时产生的振荡和 扭矩作用下，电梯井架受力状态稳定，安全系数达标要求。

　　本研究对于船用电梯井架的设计和维护具有一定的参考价值。需要注意的是， 每艘船的电梯井架设计和受 力情况都有所不同， 因此在实际应用中需要根据具体情 况进行分析。

　　2 电梯井架参数化建模

　　电梯井架是电梯系统中的重要组成部分， 其结构复 杂， 涉及多种参数。为了提高电梯井架的设计效率和准 确性， 可以采用参数化建模方法进行设计[5]。

　　电梯井架由多个部分组成， 包括井道、梯扶手、梯 子等。为了实现电梯井架的参数化建模， 需要对这些部 分进行参数化。在 APDL 中， 可以使用 PARAM 命令来定 义参数。例如， 可以定义井道高度为 h， 井道宽度为 m， 梯扶手长度为 l 等。电梯井架结构如图 2 所示。

　　在定义好参数后， 可以使用 BLOCK 、LINE 、AREA 等命令来建立电梯井架的模型。例如， 可以使用 BLOCK命令建立井道模型， 使用 LINE 和 AREA 命令建立梯扶手和梯子模型 。在建立模型时，可以使用PARAM 命令定义参数 ，实现模型的快速调整。

       电梯井架的参数化建模方法可以通过以下步骤实现：(1) 确定电梯井架的几何参数， 包括井壁的高度 、 宽度 、厚度等;(2) 对电梯井架进行三维建模， 对几何参数进行变量化描述;(3) 在 APDL 中编写脚本， 使 用工作台来控制参数化模型的创建和变量化参数的控制; (4) 将电梯井架的参数化模型导入到 ANSYS Workbench 平台中进行仿真分析。

　　利用参数化建模方法， 可以在不改变电梯井架结构 的情况下，灵活调整其尺寸和形状， 以优化其结构性能。 此外， 参数化建模可以大大加速电梯井架的设计周期， 提高设计效率。

　　3 建模方法

　　( 1)建模思路

　　本文采用多面体拼接法对电梯井架进行几何建模， 如图 3 所示。具体方法是将整个电梯井架分为多个小的 几何体， 然后将这些小的几何体拼接在一起， 形成完整 的电梯井架模型。这样不仅易于绘制， 还能方便地对电 梯井架的某些部分进行单独操作。

　　(2)参数化设计

　　在完成几何建模后， 需要对电梯井架进行参数化设 计。具体方法是在 APDL 中定义需要参数化的几何体的 尺寸、位置等参数， 然后通过改变这些参数的值来实现 电梯井架的参数化设计。这样做可以快速地生成不同尺 寸的电梯井架， 同时也能方便地进行设计优化[6]。

　　(3)有限元分析

　　在完成参数化设计后， 需要对电梯井架进行有限元 分析。在 APDL 中， 可以利用命令流方式完成有限元分 析[7]。具体方法是定义电梯井架的材料特性、边界条件 等， 然后通过 APDL 中的有限元分析命令进行分析。最 终得到电梯井架的应力、变形等信息。

　　采用以上建模方法和有限元分析方法， 对船用电梯 井架进行了参数化建模和分析。结果表明， 该方法能够 提高设计效率，减少制造成本， 同时也能保证产品质量。 具体分析结果： 通过参数化设计， 可以快速生成不同尺 寸的电梯井架， 提高了设计效率; 电梯井架的应力、变 形等信息均在允许范围内， 保证了产品的稳定性和安全 性;通过对电梯井架的设计和优化， 可以减少制造成本， 提高产品的竞争力和市场占有率。

　　4 电梯井架仿真

　　建立好电梯井架模型后，可以进行力学分析和动力学 分析。在力学分析中， 可以使用 STATIC 命令进行静态分 析。例如，对电梯井架进行受力分析，计算井道、梯扶手和 梯子的最大应力、最大变形等。在动力学分析中，可以使用 MODAL 和TRANSIENT 命令进行模态分析和瞬态分析。例 如，对电梯井架进行振动分析，计算其固有频率和阻尼比[8]。

　　通过力学分析和动力学分析， 能够评估电梯井架的 性能和安全性。同时， 也可以对其进行优化设计， 提高 电梯井架的运行效率和舒适度。

　　电梯井架仿真分析是电梯井架设计的重要环节， 可 以通过仿真分析的结果来评估电梯井架的结构性能， 以 确定哪些方面需要进行优化改进。

　　电梯井架的仿真分析一般包括结构静力分析和动力 分析两部分。

　　( 1)结构静力分析

　　结构静力分析是指在不考虑载荷的动态影响下， 评 估电梯井架结构的强度和稳定性能[9]。可以通过 ANSYS 等有限元软件进行有限元分析， 得到电梯井架在不同载 荷下的应力、变形等数据。

　　(2)动力分析

　　动力分析是指在考虑载荷的动态影响下， 评估电梯 井架的动态响应特性[10]。主要是通过 ANSYS 有限元软件 进行动力分析，得到电梯井架在不同载荷下的振动性能， 包括频率响应、振幅、加速度等方面的数据。

　　通过以上仿真分析， 可以预测电梯井架在各种载荷 下的性能， 以辅助设计人员进行优化设计， 满足电梯安 全、舒适、高效的运行要求。电梯井架 ANSYS 有限元分 析结果如图 4 所示。

　　5 船用电梯井架ANSYS 参数化设计语言(APDL)仿真

　　船用电梯井架是指安装在船舶中用于支撑电梯设备 的结构系统。在设计过程中， 需要对电梯井架的强度、 稳定性、刚度等性能进行仿真分析， 以确保其能够承受船舶航行过程中的各种载荷和振动[11]。本文介绍使用 ANSYS 参数化设计语言(APDL) 进行船用电梯井架仿 真的方法和步骤。

　　( 1)建立 CAD 模型

　　首先， 需要在 CAD 软件中建立电梯井架的模型。模 型应包括所有的构件和连接件， 并根据实际情况添加必 要的边界条件和约束条件[12]。模型应该具有一定的真实 性， 以便得到准确的仿真结果。

　　(2)将模型导入到 ANSYS 中

　　建立完电梯井架的 CAD 模型后， 将它导入到 ANSYS 软件中进行后续的仿真分析。导入时需要注意， 要使模 型中的每个实体都能够被正确地识别和分析[13]。

　　(3)设置材料参数

　　在进行仿真分析之前， 需要为电梯井架的每个构件 设置材料参数[14]。可以通过打开 ANSYS 中的“材料库” 功能实现， 然后选择适当的材料， 如钢材、铝合金等， 并设置对应的材料性能参数。

　　(4)定义约束和载荷

　　在设置材料参数之后， 需要为电梯井架的四周设置 约束边界条件， 以确保仿真结果的准确性[15]。应根据实 际情况选择约束类型和位置， 如固定边界、弹性支撑等。 然后， 定义施加在电梯井架上的各种载荷， 如船舶在静 态/动态情况下产生的载荷、电梯载重等。

　　(5)启动仿真分析

　　完成约束和载荷的定义后， 可以进行电梯井架的仿 真分析。将模型几何网格化， 然后使用 ANSYS 中的“求 解器”模块进行求解。在仿真分析过程中， 观察电梯井 架的强度、稳定性、刚度等性能指标， 并对不满足要求 的部分进行优化调整[16]。

　　(6)进行参数化设计

　　在完成仿真分析之后，使用ANSYS中的参数化设计语 言(APDL)对电梯井架进行参数化设计[17]。参数化设计是 指定义一些关键性能指标及其取值范围，然后通过程序自 动变换模型参数，进行一系列仿真分析，以找出最优方案。

　　(7)优化设计方案

　　在进行参数化设计之后， 得到多个基于不同参数组 合的电梯井架方案。接下来， 需要使用优化算法对这些 方案进行排序、筛选， 并找出最优方案。使用多目标遗 传算法、粒子群算法等先进优化算法， 能够找到最优的 电梯井架设计方案。

　　总之，在进行船用电梯井架仿真分析时，需要建立准 确的CAD 模型、设置材料参数、定义约束和载荷、启动仿 真分析、进行参数化设计和优化设计方案[18]。只有掌握了 这些关键步骤，才能得到安全可靠的电梯井架结构系统。

　　6 结束语

　　本文介绍了基于 APDL的船用电梯井架参数化建模与仿真。分别从建模、预处理、求解和后处理 4 个方面阐述 了该参数化模型的实现过程，并通过对模型进行静力分析、 模态分析和疲劳分析，验证了模型的可行性和准确性。

　　通过 APDL 脚本语言， 将电梯井架的几何形状参数 和材料参数等定义为变量， 以方便地对井架进行修改和 优化[19]。在预处理阶段， 通过定义边界条件和加载条件， 将井架模型转化为有限元模型， 并设置求解参数和监控 条件。求解阶段使用 ANSYS Mechanical 求解器进行有限 元分析， 得出井架的静力响应、模态响应和疲劳寿命等 关键参数。后处理阶段使用 ANSYS 的图形界面和命令行 工具对分析结果进行可视化和统计分析[20]。该模型可以 用于优化电梯井架的结构设计和材料选型， 提高井架的 安全性和可靠性。

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