1.典型工况

根据欧盟标准EN 1808：1999《悬吊式出入通道设备的安全性要求—设计计算、稳定性标准、结构和试验），并参考GB 19155—2003《高处作业吊篮》要求校核工作平台在单边承受额定载荷时其危险断面处材料的强度。因此，根据U型平台结构及其实际使用情况，选择四种典型工况进行分析计算，见表3-9，四种典型工况载荷分布示意图如图3-43所示。

表3-9 U型平台四种典型工况类型

图3-43 四种典型工况载荷分布示意图

2.施加载荷及约束

在ANSYS中，载荷包括边界条件和激励。实际上，ANSYS的功能就是分析有限元模型在不同激励以及不同边界条件作用下的响应。

在结构分析中，常用的载荷分为：力、压力、重力、位移边界条件等。为了真实的反映实际物理情况，ANSYS将载荷分为六大类：自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。

在ANSYS中，载荷可以在实体模型上施加，也可以在有限元模型上直接施加。但是从有限元理论的角度来看，实际进行有限元计算的载荷均为在有限元模型上施加的载荷。因此如果在实体模型上施加载荷，ANSYS软件会自动在求解过程中将施加在实体模型上的载荷转换为施加在有限元模型上的载荷。这两种加载对象各有特点，将其优缺点概括如下：

（1）实体模型的加载优点 实体模型加载不依赖于有限元网格，也可以说独立于有限元网格，可以在不改变载荷的情况下改变有限元网格划分，可以进行网格修改而不必每次都重新施加载荷。

（2）实体模型的加载缺点 通过网格划分命令而产生的单元位于当前坐标系中，而节点是处在整体笛卡儿坐标系中的。一次实体模型有着和有限元模型不同的坐标系和载荷方向。实体模型的载荷时间在主自由度上，不便于简化分析。

（3）有限元模型的加载优点 可直接在主节点施加载荷。可简单地对全部所需节点进行选择，而且在简化时不会存在任何问题，并指定适当的约束条件。

（4）有限元模型的加载缺点 任何有限元网格的修改都将使得先前施加的载荷无效，重新划分需要删除先前的载荷并在新的网格上重新施加载荷。由于网格划分生成数量较多的节点或单元，此时通过GUI的拾取操作来完成载荷加载，非常烦琐，工作量相对较大。

在U型平台中，重力载荷和提升载荷统称为平台极限载荷。重力载荷指除了起升载荷外U型平台各部分的总重量，它包括提升机、安全锁、电控箱、靠墙轮、绳坠铁以及紧固件等。重力载荷为惯性载荷，在定义材料属性时已经定义了密度，再通过定义重力加速度即可计算出重力载荷。定义重力加速度单位为m/s²，而不是mm/s²，但之前定义长度和密度时的长度单位均为mm。这是因为质量单位采用kg，而质量单位和重力加速度单位的乘积是力的单位，因此重力加速度的单位采用m/s²，而不是mm/s²。提升载荷指平台允许提升的最大有效载重量，最大有效载重量包括允许提升的最大有效物品、工作人员、取物装置、悬挂挠性件及其他在升降设备中的质量。

风载荷是高层建筑受到的主要侧向载荷之一。在压差的作用下大气发生流动形成风，风的强度通常由风压表示，风速和风压的关系通过流体力学中的伯努利方程可以表示为

式中 ω——风压（kN/m²）；

ρ——空气密度（t/m³）；

v——风速（m/s）；

——在标准大气压下，约为，各地气压情况不同数值也不同，在我国有关风压的规范中，统一取值为。

实际计算中，风压是随着高度和建筑物的外形而变化的。一般首先计算风压ω₀作为标准，再乘以相应的高度变化系数_μz和体形系数μ_s，得出实际风压

ω=ω₀μ_zμ_s （3-29）

U型平台主要是应用在高层建筑的施工与装饰上，故应考虑风载荷作用。风载荷为随机载荷，对于顺风向水平风力，可分解为平均风和脉动风。平均风是速度、方向基本上不随时间变化的风载荷，考虑风的周期长，远大于结构的自振周期，其性质与静力作用等同；脉动风是不规则运动的风，有强烈的随机性，因周期较短，应按照动应力来分析，其作用会引起平台振动。在工程计算中，通常将脉动风力折算成静载荷来处理。风载荷数学模型方程如下

P_W=∑μ_sμ_zω₀A （3^-30）

式中 P_W——作用在平台或物品上的风载荷（N）；

μ_s——体形系数；

μ_z——风压高度变化系数；

ω₀——计算风压（Pa）；

A——平台或物品垂直于风向的迎风面积（m²）。

根据式（3-30）可求得U型平台在施工过程中所承受的风载荷P_W。按照相关要求，风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷。工作状态风载荷为工作状态下，风垂直于弯角平台吹来时平台应能承受的计算风压，其值不小于500Pa。非工作状态风载荷为非工作状态下，当平台运行高度小于60m，风垂直于弯角平台吹来时应能承受的计算风压，其值不小于1915Pa。

工作状态下风载荷：当风向垂直于弯角平台时，结构所受的风力可以按其夹角分解成两个方向的分力，因此，2m和1.5m标准平台所受的顺风风向的风力为ω₀sin²θ，弯角平台所受的顺风风力为ω₀。

2m和1.5m标准平台风载荷计算式为

式中 μ_s=1.7；

μ_z不考虑高度变化时μ_z=1；

ω₀——计算风压（Pa），取ω₀=500Pa；

θ——计算风力与标准平台的夹角，θ=45°；

A₁——2m和1.5m平台的总迎风面积（m²）。

悬吊平台为两片平行平面桁架组成的空间结构，总迎风面积表达式为

A₁=A_q+ηA_h （3-32）

式中 A_q——前片迎风面积（m²）；

A_h——后片迎风面积（m²）；

η——桁架结构挡风折减系数，取η=0.65。

将上述参数带入式（3-31）中，得出2m和1.5m标准平台所受的顺风载荷。

同理，可得到弯角平台所受的顺风载荷 。

悬吊平台工作状态下额定载重为4人，换算工作人员顺风载荷为。

非工作状态下风载荷：当悬吊平台运行高度小于60m，风垂直于弯角平台吹来时，悬吊平台应能承受的计算风压不小于1915Pa。

2m和1.5m标准平台风载荷计算式为

式中 μ_s=1.7；

μ_z′——悬吊平台在60m高度时，μ_z′=1.7；

ω₀=1915Pa；(www.daowen.com)

θ=45°；

A₁相关参数与工作状态一致。

计算出非工作状态下2m和1.5m标准平台所受的顺风载荷P_W4=4206N。

弯角平台非工作状态下所受的顺风载荷P_W5=1506N。

通过上述计算，获得在工作状态和非工作状态下悬吊平台所受的顺风载荷，见表3-10。

表3-10 工作状态和非工作状态下悬吊平台所受的顺风载荷

ANSYS中添加约束总要求为：所施加的约束必须能消除构件的刚体位移，同时模型自由度同构件在现实环境中一致。对平台施加边界约束时，根据欧盟标准EN1808：1999对平台与安装架连接处的各个端点增加约束UX，UY，UZ，RX，RY，RZ。

3.结果分析

在工作状态和非工作状态下，U型平台受到顺风载荷作用时的应力云图和变形云图如图3-44～图3-49所示。

图3-44和图3-45所示为U型平台在工作状态下工况一时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为3.209mm，承受的最大应力为68.633MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-44 工作状态下工况一时的变形云图

图3-45 工作状态下工况一时的应力云图

图3-46和图3-47所示为U型平台在工作状态下工况二时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为5.18mm，承受的最大应力为106.722MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-46 工作状态下工况二时的变形云图

图3-47 工作状态下工况二时的应力云图

图3-48和图3-49所示为U型平台在工作状态下工况三时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为3.182mm，承受的最大应力为60.734MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-50和图3-51所示为U型平台在工作状态下工况四时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为1.834mm，承受的最大应力为66.983MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-48 工作状态下工况三时的变形云图

图3-49 工作状态下工况三时的应力云图

图3-50 工作状态下工况四时的变形云图

图3-51 工作状态下工况四时的应力云图

图3-52和图3-53所示为U型平台在非工作状态下工况一时的变形云图和应力云图，两图可知U型平台在该情况下的最大变形为3.057mm，承受的最大应力为66.329MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边平台与安装架连接处。

图3-54和图3-55所示为U型平台在非工作状态下工况二时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为5.024mm，承受的最大应力为91.897MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-52 非工作状态下工况一时的变形云图

图3-53 非工作状态下工况一时的应力云图

图3-54 非工作状态下工况二时的变形云图

图3-55 非工作状态下工况二时的应力云图

图3-56和图3-57所示为U型平台在非工作状态下工况三时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为2.938mm，承受的最大应力为62.759MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-58和图3-59所示为U型平台在非工作状态下工况四时的变形云图和应力云图，可知U型平台在该情况下的最大变形为3.77mm，承受的最大应力为65.307MPa，最大变形和最大应力处均位于平台侧边与安装架连接处。

图3-56 非工作状态下工况三时的变形云图

图3-57 非工作状态下工况三时的应力云图

图3-58 非工作状态下工况四时的变形云图

图3-59 非工作状态下工况四时的应力云图

从分析结果可以看出，U型平台无论是在哪一种工况下工作，平台所承受的最大变形和最大应力均发生在平台与安装架连接处，其中最大变形值为5.18mm，最大应力值为106.772MPa，发生在工作状态下工况二时。由于U型平台结构杆件采用的材料为Q235A钢，该材料的屈服极限为235MPa，安全系数不小于2，U型平台的许用应力为117.5MPa，所以U型平台结构强度满足设计要求。但由于在任意工况下，最大变形和最大应力均发生在平台与安装架连接处，因此在生产加工过程中可以在该处采取一定的措施，如增加筋板以加强该部位的强度等，同时也要注意节省材料和尽量使平台整体结构自重为最小。