도시화가 가속화되고 고층 빌딩의 수가 계속 증가함에 따라-수직 운송의 핵심 장비인 엘리베이터가 점점 더 널리 적용되고 있습니다. 업계 통계에 따르면 우리나라에는 거의 1,000개에 가까운 엘리베이터 제조업체가 있으며 시장 경쟁이 심화되고 있습니다. 제품 최적화를 통한 비용 절감과 효율성 증대는 업계의 주요 이슈가 되었습니다. 엘리베이터의 주류 유형인 트랙션 엘리베이터는 100년의 개발 끝에 지원 기술을 성숙시켰습니다. 이들의 구조는 견인 시스템, 자동차 시스템, 가이드 시스템 등 8가지 주요 시스템으로 구성됩니다. 카 시스템은 하중을 직접적으로 견디는 반면, 카 프레임은 자동차의 구조적 뼈대로서 엘리베이터의 안전 성능과 제조 비용에 직접적인 영향을 미치는 설계로 되어 있습니다. 과도한 자동차 프레임 질량은 자재 낭비와 중복 설계로 이어질 수 있습니다. 무게가 너무 가벼우면 하중 요구 사항을 충족하지 못해 안전 위험이 발생할 수 있습니다.
우리는 프레임의 정역학 및 동역학을 분석하기 위해 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 트랙션 엘리베이터 카 프레임 구조에 대한 최적화 연구를 수행했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 우리는 경량 설계를 달성하는 동시에 구조적 안전성을 보장하고 기업의 경제적 효율성을 향상시키는 실용적인 솔루션을 제공합니다.
1. 엘리베이터 카 프레임 기계적 해석: 최적화 설계의 기초
과학적이고 신뢰할 수 있는 최적화 솔루션을 보장하기 위해 연구팀은 먼저 전문 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 다양한 작동 조건에서 엘리베이터 카 프레임의 기계적 특성에 대한 포괄적인 분석을 수행하여 후속 경량 설계에 대한 데이터 지원을 제공했습니다.
1.1 정적 해석: 정격 및 과부하 조건에서의 응력 성능
정적 해석은 일반 엘리베이터 작동의 정격 작동 조건과 극한 과부하 조건에 중점을 두었습니다. 핵심 목표는 정밀한 구조 모델을 구축하여 자동차 프레임의 응력 분포와 변위를 시뮬레이션하는 것이었습니다. 연구 과정에서 팀은 먼저 SolidWorks 소프트웨어를 사용하여 자동차 프레임의 3D 구조 모델을 구축한 다음 해당 모델을 x_t 형식으로 Abaqus 해석 소프트웨어로 가져왔습니다. 자동차 프레임의 복잡한 구조를 고려하여 계산을 단순화하고 분석 정확도를 유지하기 위해 연결부, 용접부, 볼트, 모따기 등 작은 세부 사항을 생략했습니다. 그런 다음 주요 구조를 쉘로 변환하고 리턴 풀리, 안전 클램프 및 가이드 슈와 같은 구성 요소를 강체로 단순화했습니다. 매개변수 설정은 견인 모터 출력 11.7kW, 카 중량 1100kg, 정격 속도 1.75m/s, 정격 하중 1050kg, 리프팅 높이 82.5m로 실제 엘리베이터 작동 기준을 기준으로 설정되었습니다. 실제 중량, 차량 압력, 차량 프레임이 지탱하는 하중 압력을 시뮬레이션하기 위해 모델에 수평 제약 조건이 적용되었습니다. 메쉬 크기가 10mm인 S4R 요소가 메쉬 생성에 사용되어 590,350개의 노드와 431,287개의 요소가 생성되어 모델 정확도가 보장됩니다.
분석 결과에 따르면 정격 작동 조건에서 자동차 프레임의 최대 응력은 재료 항복 응력보다 훨씬 낮은 138.9MPa입니다. 최대 응력은 방진고무와 자동차 프레임 측면 빔 사이의 접촉에서 발생하며, 접촉 압축으로 인해 국부적인 응력 집중이 발생합니다. 그러나 이 집중된 영역은 두 개의 메시 요소만 덮고 있으며 자동차 프레임의 전체 응력에 최소한의 영향을 미칩니다. 계산에 따르면 재료의 항복 응력 대 안전 계수 1.5배의 비율은 156.7MPa(235MPa/1.5)이고 최대 응력 138.9MPa가 안전 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다.
125% 과부하 조건에서 자동차 프레임의 최대 응력은 296.2 MPa로 증가하며, 다시 진동 방지 고무와 자동차 프레임 측면 빔 사이의 접촉점에 집중됩니다.- 응력 집중 영역은 4개의 그리드 셀로 확장되지만 전체 구조 응력에 미치는 영향은 여전히 제한적입니다. 응력 집중 영역을 제외하고 나머지 영역의 최대 응력은 166.4 MPa입니다. 재료의 항복강도보다는 낮지만 안전계수 요구사항인 1.5배에는 미치지 못합니다. 또한 자동차 프레임의 최대 누적 변위는 9.5mm이므로 실제 사용 시 장기적인 과부하 작동을 피해야 합니다.
1.2 동적 해석: 극한 작동 조건에서 구조적 안전성 검증
동적 분석은 엘리베이터 작동-카 바닥 및 비상 제동 중 극도의 위험 조건에 중점을 둡니다. 이러한 조건에서 자동차 프레임의 속도와 가속도는 시간이 지남에 따라 동적으로 변경됩니다. 과도 동적 시뮬레이션은 Abaqus Explicit 모듈을 사용하여 수행됩니다. 초기속도는 완충장치와 자동차 프레임 사이의 접촉속도를 말하며, 구조물의 동적 응력응답을 시뮬레이션하기 위해 작동 중 실제 속도변화의 진폭을 입력한다.
시뮬레이션 결과, 자동차 바닥이 무너지면 완충재와 자동차 프레임 사이의 접촉점에 큰 응력 집중이 발생하고 일부 부품은 과도한 응력으로 인해 소성 변형되는 것으로 나타났습니다. 바닥을 친 후 0.084초에 충격 지점의 최대 응력은 248.2MPa에 도달합니다. 이는 재료의 강도 한계인 400MPa를 초과하지 않고 전반적인 구조적 결함을 방지하지만 자동차 프레임은 정상적으로 작동하는 능력을 잃습니다. 따라서 엘리베이터의 설계 및 운영에 있어 카 바닥침착을 방지하기 위한 종합적인 안전보호 시스템은 필수적입니다. 비상 제동 상황에서 자동차 프레임의 최대 응력 값은 229.1MPa로 재료의 항복 응력보다 낮고 응력 작용 범위가 작아 구조적 안전성에 위협이 되지 않습니다. 이는 엘리베이터의 비상 제동 시스템이 차량 프레임 구조의 안정성을 효과적으로 보장할 수 있음을 보여줍니다.
2. 자동차 프레임 상부 크로스빔의 최적화 설계: 경량 솔루션의 실행
기계적 분석 결과를 바탕으로 연구팀은 자동차 프레임의 전반적인 응력이 안전 요구 사항을 충족하고 정상 작동 중에 상당한 안전 마진을 가지고 있다는 사실을 발견하여 경량 최적화 가능성을 나타냅니다. 각 구성 요소의 응력 분포에 대한 추가 분석을 통해 상부 크로스빔이 핵심 최적화 목표로 식별되었습니다.{1}}다양한 작동 조건에서 해당 응력 값은 재료 한계보다 훨씬 낮았으며 이는 가장 큰 최적화 잠재력을 나타냅니다.
2.1 최적화 변수 및 방법 결정
차량 프레임의 전체적인 구조적 레이아웃의 안정성을 고려하여 길이, 굴곡 높이, 상부 크로스빔의 전체 높이 등 주요 치수를 변경하지 않기로 결정했습니다. 우리는 구조적 조정으로 인해 다른 구성요소의 응력 균형에 영향을 주지 않기 위해 유일한 최적화 변수로 상부 크로스빔 두께에만 집중했습니다. 최적화 방법은 원래 두께 6mm에서 시작하여 한 번에 0.5mm씩 두께를 줄이는 "단계별{2}}단계적 축소" 접근 방식을 사용했습니다. 다수의 시뮬레이션 분석을 통해 다양한 두께의 상부 가로보에 대한 응력성능과 안전상태를 검증하였고, 최종적으로 최적의 솔루션을 선정하였습니다.
2.2 최적화 전후의 성능 및 품질 비교
여러 차례의 시뮬레이션 검증을 통해 상부 가로보 두께를 6mm에서 4mm로 줄이는 것이 구조적 성능과 경량화 사이에서 최적의 균형을 이룬 것으로 확인되었습니다. 응력 성능 측면에서 최적화 전 상부 크로스빔의 최대 응력은 재료 항복 강도보다 훨씬 낮은 17.08MPa에 불과했습니다. 최적화 후 최대 응력은 139.5MPa로 증가했는데, 이는 여전히 안전 임계값인 156.7MPa보다 낮으며, 1.5x 안전계수 요구 사항을 충족하고 안정적이고 신뢰할 수 있는 기계적 특성을 보여줍니다.
경량화 및 비용 절감 측면에서 최적화 후 단일 상부 가로보의 질량이 29.95kg에서 22.46kg으로 감소하고, 빔당 중량이 7.49kg 감소되었으며, 경량화 정도는 25%였습니다. 상부 크로스빔의 감소된 질량은 자동차 프레임의 전체 하중-지탱 하중을 간접적으로 줄여 전체 자동차 시스템의 응력 상태를 더욱 최적화하여 "경량 - 저부하 - 안전성 향상"의 선순환을 형성합니다.
3. 연구 결론 및 산업 가치
견인식 엘리베이터 카 프레임 구조의 최적화된 설계에 대한 이 연구는 과학적인 기계적 분석과 정밀한 매개변수 최적화를 통해 다음과 같은 주요 결론을 내렸습니다. 첫째, 정격 작동 조건에서 카 프레임의 최대 응력은 138.9MPa였고, 과부하 조건에서 비집중 영역의 최대 응력은 166.4MPa였으며, 두 가지 모두 기본 기계적 요구 사항을 충족했습니다. 둘째, 차량 바닥 및 비상제동 상황에서도 구조물이 전체적으로 손상되지는 않았으나, 차량 바닥의 위험성이 여전히 우려된다. 셋째, 상부 가로보 두께를 6mm에서 4mm로 최적화하여 25% 경량화 목표를 달성하면서 안전 성능을 유지했습니다.
업계 관점에서 볼 때, 이 연구는 엘리베이터 제조업체에 실질적인 비용 절감 및 효율성-향상 솔루션을 제공합니다. 상부 가로보 두께를 줄임으로써 제조업체는 철강 등 원자재 사용량을 직접적으로 줄여 생산 비용을 낮출 수 있습니다. 또한 경량 자동차 프레임은 엘리베이터 작동 중 에너지 소비를 줄여 장비의 전반적인 에너지 효율성을 향상시킵니다. 또한, 연구에 사용된 "기계 분석 - 변수 스크리닝 - 단계별-별-단계 최적화" 방법은 엘리베이터 산업의 다른 구조 구성 요소의 최적화 설계에 대한 참조 패러다임을 제공하여 업계가 "실증적 설계"에서 "데이터{9}} 기반 설계"로 전환하도록 촉진하고, 엘리베이터 제품은 안전성과 경제성 사이에서 더 높은 수준의 균형을 달성합니다.
