Altair Taiwan Blog

在建築行業中，建築物越來越高，也越來越複雜。目前，世界上最高的摩天大樓為阿聯酋迪拜的哈利法塔，高達828 米。這一引人矚目的高度也帶來了一系列獨特的挑戰，其中之一便是如何有效地將人從地面送至頂層。

目前所採用的主流電梯系統均通過位於建築頂層的纜繩系統來提升或下降電梯。但是，這些系統的最大離地高度通常為 400 米，僅為世界最高建築高度的一半。若採用這種傳統系統，乘客必須乘坐兩架或兩架以上的電梯才能到達最頂層。

蒂森克虜伯電梯公司隸屬於德國蒂森克虜伯公司，是世界領先的電梯公司之一。蒂森克虜伯電梯的設計和工程團隊開發出一款新型電梯，其中利用固定在各個電梯轎廂框架上的電磁驅動來提升電梯。該系統無需在建築頂部安裝纜繩就能輕鬆在 800 米的全長範圍內移動。此外，該系統還支援電梯在水準和垂直兩個方向移動。但這一新概念也帶來了特有的挑戰，其中最主要是一個是該系統的承重能力要弱于傳統電梯。

蒂森克虜伯電梯努力研究各種方法，以確保新設計盡可能輕便，從而最大程度地提升轎廂載重能力。選擇 Altair ProductDesign 有助於最大程度地探索降低設計重量的方法和材料，主要是因為該公司在汽車和航空航太領域中的產品減重方面具有豐富經驗。

蒂森克虜伯電梯已研發出兩種與電磁驅動提升轎廂有關的概念設計。第一種為“BackPack”概念，即將電磁驅動安裝在轎廂底部，通過底部支撐結構進行提升。第二種為“SideGuide”概念，即通過在轎廂周圍的框架左右兩側安裝驅動來進行提升。與傳統轎廂設計相比，蒂森克虜伯電梯的 BackPack 和 SideGuide 設計的重量目標要明顯低得多。

為達成這些目標，Altair ProductDesign 制定了一套分三階段的方法。在第一階段，團隊採用 Altair HyperWorks 模擬工具套件中的設計優化解決方案 OptiStructTM，來對 BackPack 概念進行拓撲優化研究。由於可自由創建全新設計，團隊指定了轎廂的“設計空間”，即軟體可在哪個結構區域自由移除材料，以及哪裡必須保留（例如門導軌）。轎廂地面加速力、乘梯人倚靠廂壁情況或轎廂頂部人員等負載資訊從蒂森克虜伯電梯公司收集後一併輸入到軟體。然後，OptiStruct 便可得出在滿足設計要求條件下最有效的轎廂結構材料佈局。拓撲優化研究結構再經 Altair ProductDesign 編譯，最終形成可供製造的材料佈局。

概念拓撲優化結果

 拓撲結果的設計說明

定義轎廂基本結構後，Altair ProductDesign 可繼續進行第二階段，即研究材料厚度。Altair 團隊採用各種材料配置來進一步研究將重量降至最低的可能性。

電梯轎廂壁通常由金屬板製成，但是 Altair 和蒂森克虜伯電梯則希望瞭解採用鋁或塑膠面板與泡沫芯層的輕質夾心板結構的效果。該團隊再次使用 OptiStruct 來進行尺寸優化流程，探索廂壁面板和泡沫芯層的厚度。同時優化型材橫截面及面板厚度，以尋找各種材料組合的理想佈局。

確定碳纖維夾心板的鋪層形狀和方向

BackPack 最終設計渲染圖

該專案的第三階段涉及新材料的開發。Altair ProductDesign 在汽車和航太航空市場內的碳纖維應用方面具有十分豐富的經驗。在這兩個市場中，碳纖維已作為更為輕便的金屬替代材料而受到越來越多的重視。該團隊想要研究在電梯轎廂壁上使用碳纖維材料的可能性，並已開始進行優化研究，希望確定理想的材料厚度、理想的纖維鋪層形狀以及各層的鋪疊方向。而對於 SideGuide 概念，也採用相同的流程，旨在向蒂森克虜伯電梯提供充分的資訊，説明決定系統的開發方向並最終設計出最佳的系統。

此減重專案所取得的成果引人矚目。BackPack 結構的概念優化流程與夾心板牆的尺寸優化相結合所生產的轎廂比目標重量輕 42%。如果牆壁由碳纖維製成，則重量有可能進一步減輕，可比目標重量低 56%。

SideGuide 概念也可減輕重量，若採用傳統材料，重量可比目標輕 16%，若使用碳纖維，則可比目標輕 33%。重量減輕使蒂森克虜伯電梯更有信心打造出真正的電磁式無繩電梯，從而取代纜繩系統。受到此專案的積極成果鼓舞，蒂森克虜伯電梯將繼續開發 BackPack 概念。此設計現已經過完善，可進行進一步的測試和樣機製造。