Seiring dengan pesatnya urbanisasi dan jumlah{0}}bangunan bertingkat yang terus bertambah, elevator, sebagai peralatan inti untuk transportasi vertikal, semakin banyak digunakan secara luas. Menurut statistik industri, terdapat hampir 1.000 produsen elevator di negara saya, dan persaingan pasar semakin ketat. Mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi melalui optimalisasi produk telah menjadi isu utama bagi industri. Lift traksi, sebagai jenis lift utama, telah mengembangkan teknologi pendukungnya setelah satu abad pengembangan. Strukturnya terdiri dari delapan sistem utama: sistem traksi, sistem mobil, dan sistem pemandu. Sistem mobil memikul beban secara langsung, sedangkan rangka mobil, sebagai kerangka struktural mobil, memiliki desain yang berdampak langsung pada kinerja keselamatan elevator dan biaya produksi. Massa rangka mobil yang berlebihan dapat menyebabkan pemborosan material dan desain yang berlebihan; sedangkan beban yang terlalu ringan dapat gagal memenuhi persyaratan beban, sehingga menimbulkan bahaya keselamatan.
Kami melakukan penelitian optimasi pada struktur rangka mobil elevator traksi, menggunakan perangkat lunak simulasi numerik untuk menganalisis statika dan dinamika rangka. Pendekatan ini memungkinkan kami mencapai desain yang ringan sekaligus memastikan keamanan struktural, memberikan solusi praktis untuk meningkatkan efisiensi ekonomi bagi perusahaan.
1. Analisis Mekanik Rangka Mobil Lift: Dasar Desain Optimasi
Untuk memastikan solusi pengoptimalan yang ilmiah dan andal, tim peneliti pertama-tama menggunakan perangkat lunak simulasi numerik profesional untuk melakukan analisis komprehensif terhadap sifat mekanik rangka mobil elevator dalam kondisi pengoperasian yang berbeda, sehingga memberikan dukungan data untuk desain ringan selanjutnya.
1.1 Analisis Statis: Kinerja Stres pada Kondisi Nilai dan Kelebihan Beban
Analisis statis berfokus pada kondisi pengoperasian terukur dan kondisi beban berlebih ekstrem pada pengoperasian elevator normal. Tujuan utamanya adalah untuk mensimulasikan distribusi tegangan dan perpindahan rangka mobil dengan membuat model struktural yang tepat. Selama penelitian, tim terlebih dahulu membuat model struktur 3D rangka mobil menggunakan perangkat lunak SolidWorks dan kemudian mengimpor model tersebut ke perangkat lunak analisis Abaqus dalam format x_t. Mengingat struktur rangka mobil yang rumit, untuk menyederhanakan perhitungan dan menjaga keakuratan analisis, mereka menghilangkan detail kecil seperti sambungan, las, baut, dan talang. Struktur utama kemudian diubah menjadi cangkang, dan komponen seperti katrol balik, klem pengaman, dan sepatu pemandu disederhanakan menjadi benda kaku. Pengaturan parameter didasarkan pada standar pengoperasian elevator aktual, dengan daya motor traksi 11,7kW, berat mobil 1100kg, kecepatan terukur 1,75m/s, beban terukur 1050kg, dan tinggi angkat 82,5m. Batasan horizontal diterapkan pada model untuk mensimulasikan bobot aktual, tekanan mobil, dan tekanan beban yang ditanggung oleh rangka mobil. Elemen S4R digunakan untuk meshing, dengan ukuran mesh 10mm, menghasilkan 590.350 node dan 431.287 elemen, sehingga memastikan akurasi model.
Hasil analisis menunjukkan bahwa pada kondisi pengoperasian terukur, tegangan maksimum pada rangka mobil adalah 138,9MPa, jauh di bawah tegangan luluh material. Tegangan maksimum terjadi pada kontak antara karet anti-getaran dan balok samping rangka mobil, sehingga menghasilkan konsentrasi tegangan lokal akibat kompresi kontak. Namun, area terkonsentrasi ini hanya menutupi dua elemen mesh dan memiliki dampak minimal terhadap tegangan keseluruhan pada rangka mobil. Perhitungan menunjukkan bahwa rasio tegangan luluh material terhadap faktor keamanan 1,5 kali adalah 156,7 MPa (235 MPa/1,5), dan tegangan maksimum 138,9 MPa memenuhi persyaratan keselamatan.
Dalam kondisi kelebihan beban 125%, tegangan maksimum pada rangka mobil meningkat menjadi 296,2 MPa, sekali lagi terkonsentrasi pada titik kontak antara karet anti-getaran dan balok samping rangka mobil. Area konsentrasi tegangan meluas menjadi empat sel grid, namun dampaknya terhadap tegangan struktural keseluruhan masih terbatas. Selain pada area konsentrasi tegangan, tegangan maksimum pada area sisanya adalah 166,4 MPa. Meskipun lebih rendah dari kekuatan luluh material, namun masih kurang dari persyaratan faktor keamanan sebesar 1,5 kali. Selain itu, perpindahan kumulatif maksimum rangka mobil adalah 9,5 mm, sehingga memerlukan penghindaran operasi kelebihan beban jangka panjang dalam penggunaan sebenarnya.
1.2 Analisis Dinamis: Memverifikasi Keamanan Struktural Dalam Kondisi Pengoperasian Ekstrim
Analisis dinamis berfokus pada kondisi risiko ekstrem selama pengoperasian elevator-penurunan mobil dan pengereman darurat. Dalam kondisi ini, kecepatan dan akselerasi rangka mobil berubah secara dinamis seiring waktu. Simulasi dinamis sementara dilakukan menggunakan modul Abaqus Explicit. Kecepatan awal adalah kecepatan kontak antara penyangga dan rangka mobil, dan amplitudo perubahan kecepatan aktual selama pengoperasian merupakan masukan untuk mensimulasikan respons tegangan dinamis struktur.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa ketika mobil keluar dari posisi terbawah, terjadi konsentrasi tegangan yang besar pada titik kontak antara penyangga dan rangka mobil, dan beberapa komponen mengalami deformasi plastis akibat tegangan yang berlebihan. Pada 0,084 detik setelah bottom out, tegangan maksimum pada titik tumbukan mencapai 248,2 MPa. Meskipun hal ini tidak melebihi batas kekuatan material sebesar 400 MPa dan mencegah kegagalan struktural secara keseluruhan, rangka mobil kehilangan kemampuannya untuk beroperasi secara normal. Oleh karena itu, sistem perlindungan keselamatan yang komprehensif sangat penting dalam desain dan pengoperasian elevator untuk mencegah mobil terbawah. Dalam kondisi pengereman darurat, nilai tegangan maksimum rangka mobil adalah 229,1MPa, yang lebih rendah dari tegangan luluh material, dan rentang aksi tegangannya kecil, yang tidak akan menimbulkan ancaman terhadap keselamatan struktur. Hal ini menunjukkan bahwa sistem pengereman darurat elevator dapat secara efektif menjamin kestabilan struktur rangka mobil.
2. Optimalisasi Desain Palang Atas Rangka Mobil: Solusi Ringan dalam Beraksi
Berdasarkan hasil analisis mekanis, tim peneliti menemukan bahwa tegangan keseluruhan rangka mobil memenuhi persyaratan keselamatan dan memiliki margin keselamatan yang signifikan selama pengoperasian normal, yang menunjukkan potensi optimalisasi bobot ringan. Analisis lebih lanjut terhadap distribusi tegangan setiap komponen mengidentifikasi balok melintang atas sebagai target pengoptimalan inti-nilai tegangannya dalam berbagai kondisi pengoperasian jauh di bawah batas material, yang menunjukkan potensi pengoptimalan terbesar.
2.1 Penentuan Variabel dan Metode Optimasi
Mempertimbangkan stabilitas tata letak struktural keseluruhan rangka mobil, kami memutuskan untuk tidak mengubah dimensi utama seperti panjang, tinggi tikungan, dan tinggi keseluruhan palang atas. Kami hanya berfokus pada ketebalan balok melintang atas sebagai satu-satunya variabel optimasi untuk menghindari pengaruh keseimbangan tegangan komponen lain akibat penyesuaian struktural. Metode pengoptimalan menggunakan pendekatan "pengurangan langkah-demi-langkah", dimulai dengan ketebalan awal sebesar 6 mm dan mengurangi ketebalan sebanyak 0,5 mm sekaligus. Melalui berbagai analisis simulasi, kami memverifikasi kinerja tegangan dan status keselamatan balok melintang atas dengan berbagai ketebalan, yang pada akhirnya memilih solusi optimal.
2.2 Perbandingan Performa dan Kualitas Sebelum dan Sesudah Optimasi
Beberapa putaran verifikasi simulasi memastikan bahwa pengurangan ketebalan balok atas dari 6 mm menjadi 4 mm mencapai keseimbangan optimal antara kinerja struktural dan bobot yang lebih ringan. Dalam hal kinerja tegangan, tegangan maksimum balok melintang atas sebelum optimasi hanya 17,08MPa, jauh di bawah kekuatan luluh material. Setelah optimasi, tegangan maksimum meningkat menjadi 139,5MPa, masih di bawah ambang batas keselamatan 156,7MPa, memenuhi persyaratan faktor keamanan 1,5x dan menunjukkan sifat mekanik yang stabil dan andal.
Dalam hal bobot ringan dan pengendalian biaya, setelah pengoptimalan, massa satu balok melintang atas berkurang dari 29,95kg menjadi 22,46kg, pengurangan bobot 7,49kg per balok, dan tingkat bobot ringan sebesar 25%. Berkurangnya massa palang atas juga secara tidak langsung mengurangi beban-keseluruhan beban rangka mobil, sehingga semakin mengoptimalkan kondisi tegangan seluruh sistem mobil, sehingga membentuk siklus baik "ringan - beban rendah - keamanan lebih besar".
3. Kesimpulan Penelitian dan Nilai Industri
Penelitian mengenai desain struktur rangka mobil elevator traksi yang dioptimalkan ini, melalui analisis mekanis ilmiah dan pengoptimalan parameter yang tepat, menghasilkan kesimpulan utama berikut: Pertama, tegangan maksimum pada rangka mobil dalam kondisi pengoperasian terukur adalah 138,9 MPa, dan tegangan maksimum di area non-terkonsentrasi dalam kondisi beban berlebih adalah 166,4 MPa, keduanya memenuhi persyaratan mekanis dasar. Kedua, struktur tidak mengalami kerusakan keseluruhan pada kondisi terbawah mobil dan kondisi pengereman darurat, namun risiko mobil terbawah tetap menjadi perhatian. Ketiga, dengan mengoptimalkan ketebalan palang atas dari 6 mm menjadi 4 mm, kinerja keselamatan tetap terjaga sekaligus mencapai target bobot yang lebih ringan sebesar 25%.
Dari perspektif industri, penelitian ini memberikan solusi praktis-penghematan biaya dan-peningkatan efisiensi kepada produsen elevator. Dengan mengurangi ketebalan palang atas, produsen dapat secara langsung mengurangi penggunaan bahan baku seperti baja, sehingga menurunkan biaya produksi. Selain itu, rangka mobil yang ringan mengurangi konsumsi energi selama pengoperasian elevator, sehingga meningkatkan efisiensi energi peralatan secara keseluruhan. Selain itu, metode "analisis mekanis - penyaringan variabel - langkah-demi-pengoptimalan langkah" yang digunakan dalam penelitian juga memberikan paradigma referensi untuk desain optimal komponen struktural lainnya dalam industri elevator, mendorong transformasi industri dari "desain empiris" menjadi "desain-data", dan membantu produk elevator mencapai tingkat keseimbangan yang lebih tinggi antara keselamatan dan ekonomi.
