【摘 要】
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随着现代化城市和人口的迅猛发展,高层/超高层建筑日益涌现,随之而来的对高速/超速化、大行程电梯的需求量愈加凸显。然而,由于受城市土地资源、建筑空间面积等条件约束,电梯井道的设计通常呈现一种狭小且相对封闭的环境,电梯在该环境下高速/超高速运行时,势必强烈扰动轿厢周围复杂的井道气流运动。同时,剧烈变化的井道气流与轻微水平振动的电梯相互耦合作用,从而使电梯的水平振动幅度不断放大。另外,高速/超高速电梯在
【基金项目】
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山东省重点研发计划项目(2018GSF121004); 山东省自然科学基金资助项目(ZR2021ME210); 2017年山东省自然科学基金面上项目(ZR2017MEE049)—高速曳引电梯多场耦合振动机理研究及稳健优化设计; 2021年山东省自然科学基金面上项目(ZR2021ME245)—超高速
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随着现代化城市和人口的迅猛发展,高层/超高层建筑日益涌现,随之而来的对高速/超速化、大行程电梯的需求量愈加凸显。然而,由于受城市土地资源、建筑空间面积等条件约束,电梯井道的设计通常呈现一种狭小且相对封闭的环境,电梯在该环境下高速/超高速运行时,势必强烈扰动轿厢周围复杂的井道气流运动。同时,剧烈变化的井道气流与轻微水平振动的电梯相互耦合作用,从而使电梯的水平振动幅度不断放大。另外,高速/超高速电梯在运行过程中亦存在对重-轿厢瞬时交会阶段,进一步对轿厢周围井道流场造成严重影响,且亦会反作用于轿厢表面并产生强烈的扰动作用,严重威胁电梯运行的平稳性和安全性,并使得乘客感到极大的不舒适感。因此,准确探究真实服役环境下高速/超高速电梯井道气流-轿厢气固耦合水平振动响应和气动特性,对高速/超高速电梯减振控制策略研究、优化井道结构、安装制造等颇具理论和工程实际价值,很大程度上弥补了电梯领域关于井道气流-轿厢气固耦合水平振动方面研究的不足。首先,考虑高速/超高速电梯所诱导的井道气流运动特性和轿厢系统的结构组成特征,基于计算流体力学和非线性瞬态动力学理论,分析了井道流场控制方程和轿厢水平振动通用形式瞬态动力学;通过单向耦合和双向耦合分析方法,联合导轨不平顺度的随机激励模型的建立,构建了适用于电梯运行特征的井道气流-轿厢气固耦合三维有限元计算模型,从而探究高速/超高速电梯井道气流-轿厢气固耦合水平振动特性,为后续井道气流-轿厢气固耦合作用的研究奠定了模型基础。其次,考虑真实环境中井道气流-轿厢之间所存在的实时双向交互耦合作用,在建立井道流场三维计算模型的基础上,联合井道气流-轿厢气固耦合三维有限元计算模型,利用System Coupling系统的耦合模块完成井道流场域和轿厢固体域的独立循环迭代计算和数据交换,构建了井道气流-轿厢双向气固耦合振动的三维数值计算模型,并通过实梯实验进行了验证;基于此模型,求解了不同运行速度的井道气流-轿厢单向和双向耦合作用下轿厢所受的气动载荷和水平振动加速度,同时对比分析了两种耦合方法对轿厢水平振动响应的影响程度,并研究了双向耦合作用下轿厢振动姿态变化对自身所受气动载荷波动变化的影响规律,为高速/超高速电梯的最优减振装置研发提供一定理论支撑。然后,考虑高速/超高速电梯对重-轿厢瞬时“相遇”交会所存在的井道气流-轿厢气固耦合作用,基于动态铺层网格技术,构建了对重-轿厢交会过程井道流场三维计算模型,探究了超高速电梯对重-轿厢瞬时交会“剪切”气动载荷的瞬变规律。结合井道气流-轿厢气固耦合三维有限元计算模型,基于单向耦合分析方法,将井道流场计算域所计算的等效气动载荷向轿厢完成传递,构建了适用于对重-轿厢瞬时交会运行特征的井道气流-轿厢单向气固耦合三维数值计算模型,并通过实梯实验验证了所构建模型的正确性;进一步对比分析了基于不同相向交会运行速度的无空气扰动(仅轮轨随机接触激励)、无交会(单轿厢运行)阶段气固耦合、对重-轿厢瞬时交会气固耦合作用下的轿厢水平振动响应,从而完善了高速/超高速电梯气固耦合水平振动模型。最后,结合上述不同运行速度下的井道气流-轿厢气固耦合振动特性的研究,在已经验证的井道气流-轿厢双向气固耦合和对重-轿厢瞬时交会气固耦合水平振动计算模型的基础上,以轿厢载重量、对重-轿厢横向间距和对重-轿厢重合度(对重宽度与轿厢宽度之比)为主要关键参数,分别探究了三种关键参数灵敏度所对应的运行工况下的高速/超高速电梯井道气流-轿厢气固耦合水平振动特性和气动载荷变化规律,从而为实际工程技术人员对电梯安装和设计提供了重要的理论参考。
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