Benefits of dynamic finite element analysis for elevator buffer extension structure design
Friman, Väinö (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090257114
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090257114
Tiivistelmä
This master’s thesis was done for Finnish elevator manufacturer KONE. The thesis focused on evaluating structural integrity of elevator buffer extension structures. The goal was to evaluate currently used method of estimating impact loading in static finite element analysis, because the standards concerning impact buffers do not include instructions for estimating the loading for structural analysis. Additional goal was to find out if dynamic analysis would be needed because of the rapid nature of the phenomena. KONE also wanted to find out a possible way to estimate loading in higher speed impacts than the rated speed of 1.0 m/s.
The research was carried out by firstly creating reference data with experimental tests including one type of buffer extension structure with two different buffer plate configurations, one weaker plate and one stronger plate. The experimental tests were carried out as drop tests according to EN 81-50 standard with three different impact speeds. Secondly numerical analysis of the structure was carried out with static and explicit dynamic finite element analyses with different load cases estimating the impact loading. For static analysis three load cases were used, firstly an impact factor load was derived from the EN 81-20 and EN 81-50 standards. In addition to this, two loading cases for static analysis were created with the drop test data, an absolute maximum loading during the test and the largest average over 40 ms time interval. Dynamic analysis was carried out with two types of a mass impacts first only with initial velocity of the mass and then with initial velocity and standard earth gravity affecting the system. The main evaluation criterion was plastic deformation.
Results of the numerical analysis methods were compared to the experimental data with deformations in the buffer plates being the main point of focus. With these results the static impact factor loading could be validated for 1.0 m/s impacts. Dynamic analysis including initial velocity and gravity proved to beneficial in evaluating impacts with speeds up to 1.75 m/s. In addition to this, good propositions for increasing the analysis accuracy were given. Tämä diplomityö tehtiin suomalaiselle hissivalmistajalle KONE. Työ keskittyi tarkastelemaan hissi-törmäysvaimenninrakenteiden kestävyyttä. Tavoitteena työssä oli varmentaa käytössä oleva tapa arvioida kuormitusta staatisessa analyysissa, koska törmäysvaimentimia käsittelevät standardit eivät ohjeista miten kuormitus tulee laskea. Tavoitteena oli myös tarkastella, olisko dynaamisesta analyysista lisähyötyä rakenteiden tarkastelussa, koska törmäyskuormitus on ilmiönä erittäin nopea. Lisäksi haluttiin löytää mahdollinen tapa tarkastella korkempia törmäysnopeuksia kuin määrätty 1.0 m/s nopeus.
Tutkimus suoritettiin ensiksi kokoamalla vertailudataa kokeellisista testeistä, jotka suoritettiin EN 81-50 mukaan kolmella eri törmäysnopeudella. Testit suoritettiin yhdelle törmäysvaimenninrakenteelle kahdella eri ylälevykonfiguraatiolla, heikommalla ja vahvemmalla levyllä. Tämän jälkeen suoritettiin numeeriset analyysit staatisella elementtimentelmällä ja eksplisiittisella dynaamisella elementtimenetelmällä, käyttäen erilaisia tapoja arvoida kuormitusta. Staattisessa analyysissa käytettiin kolmea eri kuormitustapaa, joista ensimmäinen oli törmäyskerroinkuormitus, joka johdettiin EN 81-20 ja EN 81-50 standardeista. Staattisen analyysin kaksi muuta kuormitusta kerättiin kokeellisesta datasta, nämä olivat absoluuttinen maksimikuormitus ja keskiarvoinen kuormitus 40 ms aikavälillä. Dynaaminen analyysi suoritettiin massaimpaktina ensiksi pelkällä alkunopeudella sekä myös kuormituksella, jossa massaan vaikuttaa alkunopeus ja normaali putoamiskiihtyvyys. Tärkein tarkastelukriteeri oli plastiset muodonmuutokset.
Tuloksia verrattiin kokeelliseen dataan ylälevyjen deformaatioiden ollessa tärkein tarkastelun kohde. Tulosten perusteella voitiin todeta, että staattinen analyysi on validi törmäyskerroinkuormituksella 1.0 m/s impakteissa. Myös dynaaminen analyysi alkunopeudella sekä putoamiskiihtyvyydellä todettiin hyödylliseksi ainakin korkeintaan 1.75 m/s impakteissa. Tämän lisäksi pystyttiin antamaan kehitysehdotuksia analyysitarkkuuden parantamiseen.
The research was carried out by firstly creating reference data with experimental tests including one type of buffer extension structure with two different buffer plate configurations, one weaker plate and one stronger plate. The experimental tests were carried out as drop tests according to EN 81-50 standard with three different impact speeds. Secondly numerical analysis of the structure was carried out with static and explicit dynamic finite element analyses with different load cases estimating the impact loading. For static analysis three load cases were used, firstly an impact factor load was derived from the EN 81-20 and EN 81-50 standards. In addition to this, two loading cases for static analysis were created with the drop test data, an absolute maximum loading during the test and the largest average over 40 ms time interval. Dynamic analysis was carried out with two types of a mass impacts first only with initial velocity of the mass and then with initial velocity and standard earth gravity affecting the system. The main evaluation criterion was plastic deformation.
Results of the numerical analysis methods were compared to the experimental data with deformations in the buffer plates being the main point of focus. With these results the static impact factor loading could be validated for 1.0 m/s impacts. Dynamic analysis including initial velocity and gravity proved to beneficial in evaluating impacts with speeds up to 1.75 m/s. In addition to this, good propositions for increasing the analysis accuracy were given.
Tutkimus suoritettiin ensiksi kokoamalla vertailudataa kokeellisista testeistä, jotka suoritettiin EN 81-50 mukaan kolmella eri törmäysnopeudella. Testit suoritettiin yhdelle törmäysvaimenninrakenteelle kahdella eri ylälevykonfiguraatiolla, heikommalla ja vahvemmalla levyllä. Tämän jälkeen suoritettiin numeeriset analyysit staatisella elementtimentelmällä ja eksplisiittisella dynaamisella elementtimenetelmällä, käyttäen erilaisia tapoja arvoida kuormitusta. Staattisessa analyysissa käytettiin kolmea eri kuormitustapaa, joista ensimmäinen oli törmäyskerroinkuormitus, joka johdettiin EN 81-20 ja EN 81-50 standardeista. Staattisen analyysin kaksi muuta kuormitusta kerättiin kokeellisesta datasta, nämä olivat absoluuttinen maksimikuormitus ja keskiarvoinen kuormitus 40 ms aikavälillä. Dynaaminen analyysi suoritettiin massaimpaktina ensiksi pelkällä alkunopeudella sekä myös kuormituksella, jossa massaan vaikuttaa alkunopeus ja normaali putoamiskiihtyvyys. Tärkein tarkastelukriteeri oli plastiset muodonmuutokset.
Tuloksia verrattiin kokeelliseen dataan ylälevyjen deformaatioiden ollessa tärkein tarkastelun kohde. Tulosten perusteella voitiin todeta, että staattinen analyysi on validi törmäyskerroinkuormituksella 1.0 m/s impakteissa. Myös dynaaminen analyysi alkunopeudella sekä putoamiskiihtyvyydellä todettiin hyödylliseksi ainakin korkeintaan 1.75 m/s impakteissa. Tämän lisäksi pystyttiin antamaan kehitysehdotuksia analyysitarkkuuden parantamiseen.