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模拟解决电梯事故之谜

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图 1:(lr) 制动器几何结构的 CAD 模型; 显示制动鼓、臂和枢轴的制动衬片磨损模型设置; 相对的弹簧力和螺线管力; 以及制动衬片和鼓之间的接触

多物理场仿真用于调查和确定电梯制动器过早失效的原因。

作者:Stuart Brown 博士、Nagi Elabbasi 博士和 Matthew Hancock 博士

2007 年,当乘客离开时,电梯开始向上移动,导致乘客被困和受伤。 用于保持电梯静止的鼓式制动器失败,导致意外移动。 随后的调查显示,负责打开和关闭制动器的电磁阀已损坏,导致制动衬片在制动鼓上拖拽并过早磨损。 当螺线管未接合时,正常的闸瓦会推向制动鼓,从而阻止升降舵运动。 刹车蹄磨损过度导致刹车无法保持,导致事故发生。 图 1 显示了制动器的计算机辅助设计 (CAD) 模型,其中其臂在底部旋转并加载弹簧以保持与鼓的接触。

对电梯维修公司提起刑事指控,声称前几年有证据表明电磁阀正在恶化,应该进行维修。 问题不是螺线管是否发生故障,而是它是如何发生故障的,故障率是多少?

如果故障很快,事故就不可能被预料到。 但是,如果故障涉及缓慢恶化,则事故可能是可以避免的。 提出了许多可能的失败理论。 Veryst Engineering 受聘调查不同失效理论的有效性,模拟在我们的调查中发挥了关键作用。

电磁阀故障分析

事故发生后,调查人员发现螺线管的电阻约为未损坏螺线管的一半,因此与未损坏的螺线管相比,产生的力更小。 提出了几种理论来解释这种失败是如何发生的。

缓慢故障的一种理论是,由于电阻加热,螺线管内的热​​膨胀和收缩会产生高应力,从而导致螺线管线圈内的导线缓慢、渐进地开裂。 裂纹会降低螺线管的电动势 (EMF),从而导致制动蹄拖拽。 为了验证这一理论,我们使用 COMSOL Multiphysics® 软件对螺线管进行了热机械耦合应力分析。 该模型表明应力不足以产生裂纹,因此证明电阻加热引起的膨胀和收缩不是故障的原因。

缓慢失效的第二个理论是 EMF 本身在线圈中产生了高应力,导致它在很长一段时间内失效。 我们通过执行耦合机电分析对此进行了测试(图 2)。 仿真软件用于计算螺线管线圈内的洛伦兹力,证明整个线圈的力实际上可以忽略不计。

相比之下,一种关于快速螺线管故障的理论规定螺线管内的局部加热会导致相邻线圈导线之间短路。 虽然我们没有直接分析这个理论,但我们驳斥了上述缓慢故障理论的分析缩小了可能的故障模式的范围,并为快速故障场景提供了支持。

刹车片快速磨损分析

除了螺线管故障分析,我们还研究了损坏的螺线管对制动衬片磨损的影响。 考虑到事故中涉及的电磁阀无法产生正常电磁阀的力,制动衬片是否也会如此迅速地劣化? 事故发生后,调查人员发现刹车片磨损严重,认为这种程度的磨损是逐渐发生的。

为了测试在电磁阀损坏的情况下是否会迅速发生广泛的制动器磨损,我们开发了一个基于计算机的制动器模型来计算局部制动衬片磨损。 该模型包括制动臂枢转,以及弹簧和损坏的螺线管的反作用力。 此外,该模型还包括研究人员对原型鼓式制动衬片进行的广泛磨损实验的数据,这些数据将大块衬里磨损率与制动鼓温度相关联。

我们使用该温度-磨损数据结合制动行业常用的磨损率模型来开发局部磨损率模型。 该模型是使用结构力学模块和在制动衬片表面上定义的用户定义微分方程实现的。 仿真软件中可用的接触边界条件为模型提供了局部接触压力,用于确定沿制动衬片每个点的局部磨损率。 反过来,预测的制动衬片磨损用于指定在接触边界条件下与原始制动表面的偏移,如果磨损量与衬片厚度相比较小,则这是一个有效的假设。 磨损模拟的输入是滚筒温度的假设时间历程。 我们通过模拟两个机械磨损问题来验证这种磨损建模方法:由销-盘接触引起的磨损和汽车盘式制动器的磨损。

软件结构力学模块中的接触边界条件以及轻松实现用户定义的微分方程的能力使磨损过程的编程变得简单明了,并帮助我们避免了繁琐的方法,例如删除网格元素。 使用任何其他有限元包进行这种类型的分析要么是不可能的,要么是非常困难的。

图 3 显示了磨损分析中使用的有限元模型。 图 4 显示了在测试结束时沿制动器长度测量和预测的制动衬片磨损之间的比较。 该模型还预测了磨损深度如何随时间变化。 磨损模拟的结果表明,损坏的螺线管可能会导致较高的鼓温度,从而导致制动衬片快速磨损。

 换句话说,制动衬片的大量磨损与一系列快速事件完全一致,从电磁阀的快速老化到制动衬片快速而广泛的磨损。 这种快速故障理论为事故提供了一种替代的、自洽的和科学合理的解释,不涉及缓慢的过程。

总结

虽然我们可以轻松地将仿真视为产品设计的一个组成部分,但其他用途也同样重要。 仿真是这项研究的重要贡献者,使我们能够轻松导入和处理不同的几何形状,在单个仿真中包含多个物理场,并在我们的仿真中导入和使用实验数据,从而使我们能够快速研究不同的场景。 模拟提供了一种有效且系统的方法来测试和评估故障场景,这是其他人从未尝试过的方法。

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Stuart Brown 博士、Nagi Elabbasi 博士和 Matthew Hancock 博士

Stuart Brown 博士、Nagi Elabbasi 博士和 Matthew Hancock 博士

Stuart Brown 博士是波士顿地区工程咨询公司 Veryst Engineering 的管理合伙人。 在创立 Veryst Engineering 之前,Brown 是 Exponent, Inc 波士顿办公室的主任。在此之前,他在麻省理工学院 (MIT) 材料科学与工程系任教。 他是材料强度方面的专家,曾在制造过程中提供咨询,并为消费品、电子和电气元件以及工业设备提供技术建议。

Nagi Elabbasi 博士是 Veryst Engineering 的管理工程师。 Elabbasi 的主要专业领域是非线性和多物理场系统的建模和仿真。 他在有限元建模方面拥有丰富的经验,并与生物医学、核能、岩土工程、建筑、汽车和消费品行业的客户合作解决产品设计和性能问题。 在加入 Veryst 之前,他是有限元软件开发公司 ADINA 的研发工程师。 他还曾在麻省理工学院和多伦多大学担任博士后职位。

Matthew Hancock 博士是 Veryst Engineering 的高级工程师。 Hancock 在流体力学和计算建模方面拥有广泛的背景,包括微流体、纹理表面的润湿、表面张力效应、传热和传质、固液相互作用、波动和多尺度分析。 他在 Nature Materials、Lab on a Chip、Small 和 Biomaterials 等期刊上合着了数十篇同行评审的研究文章。 他曾在学术界、医疗界和工业界工作,担任过项目负责人和基于模型的工程顾问。 在加入 Veryst 之前,Hancock 是麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的访问科学家,哈佛医学院和宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员,以及麻省理工学院应用数学系的讲师。

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