高效垂直输运装置模型及研究方法介绍, 从化登高车出租, 从化出租登高车, 登高车出租 高效垂直输运装置结构简图，该装置采用链传动方式，主要由上链轮、传动链、导轨、下链轮、轿厢等部件组成。位于上方的两个对称布置的链轮通过一个定轴连接固定在一起构成上链轮，上链轮可绕定轴做周转运动。位于上链轮垂直正下方有两个对称布置的链轮通过一个动轴连接固定在一起构成下链轮，下链轮可绕动轴做周转运动的同时也有在垂直方向上小幅度的自由度。上下两链轮齿数、模数均相等。上链轮承载整个装置的自重和载荷，同时作为动力输入端和运动控制端；下链轮主要起一个预紧的作用，通过上下自我调整垂直位置使传动链始终处于张紧状态，减小链传动多边形效应对装置稳定性的影响。在上下两链轮之间安装有两条传动链，每条传动链均分别与上下两链轮啮合，且两条传动链对称布置，各链节一一相对。进一步的，为了提高装置刚度和稳定性，传动链垂直运动部分的内外表面固定有导轨。该导轨与传动链链节滚子外表面相切，外导轨将传动链外侧包裹，内导轨将包裹传动链内侧垂直运动部分，且不与链轮干涉；导轨的固定须根据实际环境设计合理的安装固定方案，例如可以将装置置于电梯井中，导轨通过支架固定安装在电梯井四周的墙壁上。该装置使用的工作部分为内外都有导轨包裹的传动链部分，这样就能保证在这部分上运动的传动链始终保持在垂直方向的运动。轿厢将搭载在两传动链之间，并随传动链做向上（或向下）运动。上链轮在输入转矩的带动下，绕定轴定向转动，驱动传动链定向运动，其中，一边传动链向上运动，另一边传动链向下运动；需要向上运输的物资在装入轿厢后搭载在向上运动的传动链上，由传动链带动向上运输，并将在预定楼层卸载下来；同理，需要向下输送的物资可由另一边的传动链携带向下运送。轿厢向上（或向下）运9动范围均不能超出装置工作部分范围，即该装置工作部位包括轿厢所需到达的所用楼层。在整个装置中可以同时搭载多个轿厢，这样就能解决了传统电梯一个电梯井只能容纳一部电梯的窘境，实现在一个电梯井中同时运送多个轿厢目的，可以在不增加电梯井的数量的同时提高运输能力，从而大大减少高层建筑中输送设备所占据的建筑空间。该专利设计了一款载具支架，用于连接传动链和轿厢。首先，载具支架作为传动链的组成部分，直接连接在销轴上；其次，载具支架必须保证承载面与水平面保持水平，才能保证载具能平稳、安全的固定在支架上，这就要求对载具支架的轴向转动自由度进行限制；再次，传动链在经过链轮时会进行换向，因此载具支架被设计成上下对称，使其在换向后依然能承载载具；最后，考虑到装载载具的定位误差，需要在载具支架上设计辅助定位面，在装载载具时会与载具上的对应安装面相互配合，以找到正确的装载位置，保证整个运输过程的安全，平稳，高效，同时，为防止在运输过程中由于振动等因素的干扰，保证系统运行安全，平稳，在载具支架上设置了预紧装载，主要由顶尖和弹簧组成，在找到正确的装载位置后，在弹簧和顶尖的作用下，实现对载具的预紧。目前，暂时采用机械的方式连接传动链和轿厢，未来或许会采用更加合理高效的方式替代。
高效垂直输运装置工作流程，具体步骤如下：（1）将位于1F的轿厢装入输运装置中；（2）轿厢随传动链移动，其中右侧的为上升段，轿厢随传动链向上运输；左侧的为下降段，轿厢随传动链向下运输；（3）当轿厢到达目标楼层时，将被从装置中取出并停留在目标楼层。
关于本课题所涉及到的高效垂直输运装置目前仍处于草创阶段，作为一款概念性产品，一方面它没有具体的实物作为参照，只有一个大致的结构以及一些初始模型；另一方面，也没有相关的理论性支撑，在载荷大小计算、载荷分布情况分析、工作条件设定、安全系数的选取等方面目前仍然是一片空白。也就是说，该装置在结构、尺寸、可靠性、可行性等方面存在着很多问题，有待于进一步的分析和研究：第一，高效垂直输运装置作为一种载重升降装置，本身承载着巨大的载荷，而作为载荷的载体，传动链在设计之初只是参照简单标准传动链进行简单的放大，其结构尺寸设计是否合理，强度和刚度能否符合实际要求，目前尚没有足够了理论依据；第二，从装置结构简图中可以发现，载荷的分布情况肯定不同于一般链传动使用情况，直接采用标准传动链放大的设计思路是否合适，还有待考证；第三，对于该装置的经济性，特别是针对初步方案中装置过于笨重的问题，还有待进一步的优化设计来解决。
有限元法工程问题中结构分析的手段主要可以分为两类：解析计算法和数值计算法。对于几何边界规整、方程性质简单的问题，解析法就能够得到非常精确的解；但是多数实际问题的几何形状杂乱无章和边界条件复杂多变，使得求解困难且解精度低；不同的是数值计算在研究复杂问题时则表现得更为理想，因而在现阶段工程技术领域得到了广泛的使用。当前，有限元法在众多数值方法中，实用性和广泛性表现得最为出色。作为一种复杂数理和工程问题数值计算的近似求解手段，有限元法（FEM）被描述成“Rayleigh-Ritz法+分段函数”。其基本思路：将连续体（即求解区域）细分为有限的单元（子域），单元间依靠边界节点相连彼此；假定任意节点的自由度都是确定的，则对每个单元拟合得一个近似函数（即各个节点的未知场的求解数值及其插值函数）；将所有子域内的近似函数共同构建全求解区域上待求的未知场函数，以节点数值作为未知量。最终可以将无穷自由度问题简化为有限自由度问题的数值求解。基于上述原理，该方法的计算精确度与划分的疏密程度呈正相关：即单元数增加，拟合函数越加逼近实际情况，则整体数值精度也越精确。FEM分析步骤如下：（1）连续区域离散化。（2）建立线性方程。基于节点位移和节点力间的关系，建立对应的方程组主要包括：确定单元应变-单元位移-节点位移之间的关系：𝜀=𝐵{𝛿}𝑒；确定应力-应变-节点位移间的关系：𝜎=𝐷𝐵{𝛿}𝑒；基于虚功原理确定节点力与节点位移的关系：{𝐹}𝑒=[𝐾]𝑒{𝛿}𝑒；（3）结构整体分析。将分片函数刚度矩阵合并为整体刚度矩阵，将分片函数的等效节点力列矩阵组装成整体载荷列矩阵。建立待求的数值计算线性方程组：𝑅=𝐾𝛿2.2.2结构优化设计与传统设计方法不同，优化设计是系统的、目标确定的，其目的是使用最少的材料，花费最低的造价，成就结构的最佳性能，以寻求既经济又实用的结构形式。它包括三个基本要素，即设计变量、目标函数和约束条件。其数学模型可表示为：find𝑋=𝑥1,𝑥2,…,𝑥n𝑇∈𝐷min𝑓(𝑋)s.t.𝑣(𝑋)=0𝑣=1,2,3,...,p𝑔𝑢(𝑋)≤0𝑢=1,2,3,...,m(2.1)式中：𝑓(𝑋)为目标函数；𝑣𝑋为等式约束；𝑔𝑢𝑋为等式约束；𝑋为n维可行域𝐷下的设计变量。设计变量可以是单个或多组基本参数。依据问题特性的不同，基本参数所表示的设计内容也各有不同。例如：在研究几何尺寸和目标函数的关系时，通常选取尺寸参数如：长、宽、高、厚度等；研究物理特性时，则选取物理参数如：质量、密度、速度等。通过对状态变量进行限制，可以形成约束条件。变形、温度、应力等均可被定义为状态变量。在工程中，目标函数往往是质量、应变、固有频率等，它的选取这则决定着整个优化的方向。在优化过程中，基本参数会在可行域内向着优化目标逼近，直到满足收敛条件后就会停止迭代，优化循环结束；而可行域为约束条件所限制的范围构成。
拓扑优化设计结构拓扑优化，作为一种更高级的优化方式，是针对一个受确定载荷及边界条件的物体（可以是单载荷也可以是多载荷），寻求材料的最优配置方案。结构拓扑优化与传统优化方法的差别在于：无须人工定义各种设计参数，迭代过程中设计区域一般保持不变。相比尺寸、形状的优化，拓扑优化常常能表现出更优的经济效益。拓扑优化的两大领域包括：离散结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化。离散结构拓扑优化，设计变量少、计算量小、分析简单，主要针对桁架问题。连续体结构拓扑优化，简而言之，为了提高性能或减轻重量，在确定外载荷和支承的条件下，根据优化算法确定开孔、孔数。对于有些多介质优化问题，该方法则表现为寻求介质的最优配置方案。显然对于连续体，设计变量更多、模型也更加复杂。从时间进程来看，拓扑优化概念最早是在桁架研究中被提出来的，这种对离散结构的优化方法也能被用于解决一些简单的问题；但是面对更加复杂的问题时（特别是连续体拓扑优化问题），效果不是很理想。针对这种情况，研究人员一方面试图突破原有理论方法的桎梏；另一方面积极探索连续体拓扑优化的新方法，包括变厚度法、均匀化理论和变（伪）密度法等。1）变厚度法提出最早，变厚度法具有的优点是模型简单、概念清晰、求解方便；而缺点是对象有限，只能应用于二维平面问题。将二维连续体（例如：薄板或薄壳等）的待优化区域拆分成单元集合作为优化模型。起初假定单元厚度均匀，而最终结果是一个具有孔的薄壳以及一个均匀的厚度（厚度为∗）。变厚度法拓扑优化数学模型为：find1,2,…,n,∗min𝑣=𝑖𝑠𝑖n𝑖=1s.t.𝜎𝑖≤σ𝑖∈∗,0𝑖=1,2,...,n∗≤hμ 𝑖为单元的厚度；hμ为厚度上限；𝑠𝑖为单元面积；𝜎𝑖为应力值；σ为许用应力；n为总单元数。一方面，变量的取值必须为∗、0两个离散值，被看成是一种数值规划问题；另一方面，随着优化进程，∗取值是变化的，须由数值计算来确定，因而被描述成变厚度法。
（2）均匀化法大量实际问题中，描述现象的方程一般需要不同尺度的变量，例如：量级为“l”的正常尺度和具有更小量级的“ε”尺度，学者们习惯于用𝑥和𝑥/ε表示，这里𝑥可以是n维向量𝑋=𝑥1,𝑥2,…,𝑥n。当问题复杂难以求解时，研究人员总是希望能进行简化处理使其既能被尽可能准确地描述，同时摒弃影响细微可以忽略不计的ε尺度下的细枝末节，即多尺度解𝑋=𝑥,𝑥/ε,ε有对应的简单解𝑢0𝑥=limε→0𝑢𝑥,𝑥/ε,ε。所得到的关于𝑢0𝑥的简化方程通常称之为“均匀化”方程。该方程一般涉及某些平均过程，如空间平均、时间平均、随机平均等。假设设计区域为Ω，ΓT为Ω的应力边界。由虚位移原理，得结构设计区域Ω的平衡可以表示为：𝑎𝜀𝑢𝑖,𝑣𝑖=𝐿𝜀𝑣𝑖𝑎𝜀𝑢𝑖,𝑣𝑖=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀𝜕𝑢𝑘𝜀𝜕𝑥𝑙𝜕𝑣𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝛺𝐿𝜀𝑣𝑖=𝑓𝑖𝜀𝑣𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝛤：𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀为实体材料的弹性模量：实体𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙，空洞𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀=0；𝑢𝑖𝜀为位移；𝑣𝑖为虚位移；𝑓𝑖𝜀为所受的体积力；𝑡𝑖为所受的面积力。应力应变和应变位移关系：𝜎𝑖𝑗𝜀=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀∙𝑒𝑘𝑙𝜀，𝑒𝑘𝑙𝜀=12𝜕𝑢𝑖𝜀𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑢𝑗𝜀𝜕𝑥𝑖, 平衡问题的解与微尺度ε有关，即：𝑢𝜀(𝑥)=𝑢(𝑥,𝑥𝜀)=𝑢(𝑥,𝑦)，𝑦=𝑥𝜀展开得：𝑢𝜀𝑥=𝑢0𝑥+𝜀𝑢1𝑥,𝑦注意到：𝜕𝜕𝑥𝑖=𝜕𝜕𝑥𝑖+1𝜀∙𝜕𝜕𝑦𝑖于是有：𝑎𝜀𝑢𝑖,𝑣𝑖=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀(𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙+𝜕𝑢1𝑘𝜕𝑥𝑙)(𝜕𝑣0𝑖𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑣1𝑖𝜕𝑥𝑗)𝑑𝛺+𝜀𝑅𝑙𝜀(2.6)𝐿𝜀𝑣𝑖=𝑓𝑖𝜀𝑣0𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣0𝑖𝑑𝛤+𝜀𝑅2𝜀(2.7)式中：Rlε、R2ε是有关参数ε的项，引入均匀化过程：lim𝜀→0𝛷𝑥,𝑥𝜀𝑑𝛺=1𝑌𝛷𝑥,𝑦𝑑𝑌𝑑𝛺, Y指微结构区域，于是有：1lim𝜀→0𝑎𝜀𝑢𝑖,𝑣𝑖=1𝑌𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀(𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙+𝜕𝑢1𝑘𝜕𝑥𝑙)(𝜕𝑣0𝑖𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑣1𝑖𝜕𝑥𝑗)𝑑𝑌𝑑𝛺lim𝜀→0𝐿𝜀𝑣𝑖=1𝑌𝑓𝑖𝜀𝑑𝑌𝑣0𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣0𝑖𝑑𝛤平衡方程可表示为：1𝑌𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙+𝜕𝑢1𝑘𝜕𝑥𝑙𝜕𝑣0𝑖𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑣1𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝑌𝑑𝛺=1𝑌𝑓𝑖𝜀𝑑𝑌𝑣0𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣0𝑖𝑑𝛤, 对任意虚位移，可转化为：1𝑌𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀(𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙+𝜕𝑢1𝑘𝜕𝑥𝑙)𝜕𝑣0𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝑌𝑑𝛺=1𝑌𝑓𝑖𝜀𝑑𝑌𝑣0𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣0𝑖𝑑𝛤, 1𝑌𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀(𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙+𝜕𝑢1𝑘𝜕𝑥𝑙)𝜕𝑣1𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝑌𝑑𝛺=0, 设u1可分解为：𝑢𝑙𝑘𝑥,𝑦=−𝜒𝑘𝑝𝑞𝜕𝑢0𝑝𝜕𝑥𝑞𝑥, 如果χkpq满足：(𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀−𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀𝜕𝜒𝑝𝑘𝑙𝜕𝑦𝑞)𝜕𝑣1𝑖𝜕𝑦𝑗𝑑𝑌=0则自动满足：𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝐻𝑥𝜕𝑢0𝑘𝜕𝑥𝑙∙𝜕𝑣0𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝛺=𝑓𝑖𝐻𝑣0𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣0𝑖𝑑𝛤：𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝐻(𝑥)=1𝑌(𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀−𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀𝜕𝜒𝑝𝑘𝑙𝜕𝑦𝑞)𝑑𝑌，𝑓𝑖𝐻(𝑥)=1𝑌𝑓𝑖𝜀𝑑𝑌令𝑎𝐻(𝑢𝑖,𝑣𝑖)=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝐻(𝑥)𝜕𝑢𝑘𝜕𝑥𝑙∙𝜕𝑣𝑖𝜕𝑥𝑗𝑑𝛺，𝑎𝑌(𝜒𝑘𝑙,𝑣𝑖)=𝐸𝑖𝑗𝑝𝑞𝜀(𝑥,𝑦)𝜕𝜒𝑝𝑘𝑙𝜕𝑦𝑞∙𝜕𝑣𝑖𝜕𝑦𝑗𝑑𝑌𝐿𝐻𝑣𝑖=𝑓𝑖𝐻𝑣𝑖𝑑𝛺+𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝛤，𝐿𝑌𝑣𝑖=𝐸𝑖𝑗𝑘𝑙𝜀𝜕𝑣𝑖𝜕𝑦𝑗𝑑𝑌原问题可分解为两个层次的问题： 1）微结构：任意虚位移求解𝑎𝑌(𝜒𝑘𝑙,𝑣𝑖)=𝐿𝑌𝑣𝑖, 宏观：任意虚位移求解𝑎𝐻(𝑢𝑖,𝑣𝑖)=𝐿𝐻𝑣𝑖, 对于宏观结构的拓扑优化问题，首先须要求解微结构问题，以确定均匀化弹性张量。
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