高层建筑电梯系统革新：HyperWorks技术引领未来

行业：电梯

挑战：为新型无绳电梯系统开发减重策略

Altair 解决方案：采用优化技术，寻找理想的材料布局。开发新材料配置。

优点：比目标重量轻 56%；设计达到所有性能目标

项目介绍

在建筑行业中，建筑物越来越高，也越来越复杂。目前，世界上最高的摩 天大楼为阿联酋迪拜的哈利法塔，有 828 米（2717 英尺）高。这一引人瞩目的高度也带来了一系列独特的挑战，其中之一便是如何有效地将人从地面送至 顶层。

目前所采用的主流电梯系统均通过位于建筑顶层的缆绳系统来提升或下降 电梯。但是，这些系统的最大离地高度通常为 400 米（1312 英尺），仅为世 界最高建筑高度的一半。若采用这种传统系统，乘客必须乘坐两架或两架以上 的电梯才能到达最顶层。

蒂森克虏伯电梯公司隶属于德国蒂森克虏伯公司，是世界领先的电梯公司 之一。公司销售额达 64 亿欧元，拥有 900 家办事处和 50,000 多名员工， 产品应用于世界各地的建筑之中。

蒂森克虏伯电梯的设计和工程团队开发出一款新型电梯，其中利用固定在 各个电梯轿厢框架上的电磁驱动来提升电梯。该系统无需在建筑顶部安装缆绳 就能轻松在 800 米的全长范围内移动。此外，该系统还支持电梯在水平和垂 直两个方向移动。但这一新概念也带来了特有的挑战，其中最主要是一个是该 系统的承重能力要弱于传统电梯。

挑战

蒂森克虏伯电梯努力研究各种方法，以确保新设计尽可能轻便，从而最大 程度地提升轿厢载重能力。选择 Altair ProductDesign 有助于最大程度地探索 降低设计重量的方法和材料，主要是因为该公司在汽车和航空航天领域中的产 品减重方面具有丰富经验。

蒂森克虏伯电梯已研发出两种与电磁驱动提升轿厢有关的概念设计。第一 种为“BackPack”概念，即将电磁驱动安装在轿厢底部，通过底部支撑结构进 行提升。第二种为“SideGuide”概念，即通过在轿厢周围的框架左右两侧安 装驱动来进行提升。与传统轿厢设计相比，蒂森克虏伯电梯的 BackPack 和 SideGuide 设计的重量目标要明显低得多。

“BackPack 结构的概念优化流程与夹心板墙的尺寸优化相结合所生产的轿厢比目标重量轻 42%。如果 厢壁由碳纤维制成，则重量有可能进一步减轻，可比目标重量低 56%。”                                                                                        

解决方案

为达成这些目标，Altair ProductDesign 制定了一套分三阶段的方法。在第一阶段，团队采用 Altair HyperWorks 仿真工具套件中的设计优化解决方案 OptiStructTM，来对 BackPack 概念进行拓扑优化研究。由于可自由创建全新 设计，团队指定了轿厢的“设计空间”，即软件可在哪个结构区域自由移除材料，以及哪里必须保留（例如门导轨）。 轿厢地面加速力、乘梯人倚靠厢壁情况或轿厢顶部人员等负载信息从蒂森克虏伯电梯公司收集后一并输入到软件。然 后，OptiStruct 便可得出在满足设计要求条件下最有效的轿厢结构材料布局。拓扑优化研究结构再经 Altair  ProductDesign 编译，最终形成可供制造的材料布局。

定义轿厢基本结构后，Altair ProductDesign 可继续进行第二阶段，即研究材料厚度。Altair 团队采用各种材料 配置来进一步研究将重量降至最低的可能性。

电梯轿厢壁通常由金属板制成，但是 Altair 和蒂森克虏伯电梯则希望了解采用铝或塑料面板与泡沫芯层的轻质 夹心板结构的效果。该团队再次使用 OptiStruct 来进行尺寸优化流程，探索厢壁面板和泡沫芯层的厚度。同时优化 型材横截面及面板厚度，以寻找各种材料组合的理想布局。

该项目的第三阶段涉及新材料的开发。Altair ProductDesign 在汽车和航天航空市场内的碳纤维应用方面具有十 分丰富的经验。在这两个市场中，碳纤维已作为更为轻便的金属替代材料而受到越来越多的重视。该团队想要研究在 电梯轿厢壁上使用碳纤维材料的可能性，并已开始进行优化研究，希望确定理想的材料厚度、理想的纤维铺层形状以 及各层的铺叠方向。而对于 SideGuide 概念，也采用相同的流程，旨在向蒂森克虏伯电梯提供充分的信息，帮助决 定系统的开发方向并最终设计出最佳的系统。

结论

此减重项目所取得的成果引人瞩目。BackPack 结构的概念优化流程与夹心板墙的尺寸优化相结合所生产的轿厢 比目标重量轻 42%。如果墙壁由碳纤维制成，则重量有可能进一步减轻，可比目标重量低 56%。

SideGuide 概念也可减轻重量，若采用传统材料，重量可比目标轻 16%，若使用碳纤维，则可比目标轻 33%。 重量减轻使蒂森克虏伯电梯更有信心打造出真正的电磁式无绳电梯，从而取代缆绳系统。受到此项目的积极成果鼓舞， 蒂森克虏伯电梯将继续开发 BackPack 概念。此设计现已经过完善，可进行进一步的测试和样机制造。

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