一种矿用救生舱舱体结构优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种矿用救生舱舱体结构优化设计方法，主要包括建立舱体数学模型，得到满足设计要求的舱体的初始结构尺寸；根据工况条件，做出初始舱体结构的应变云图和应力云图，判断优化空间；对初始结构进行拓扑优化，作出单元密度云图，得到拓扑优化后的舱体材料分布情况；根据拓扑优化模型，提取实际机构，确定舱体各个单元的形状和位置；采用线性加权和法对舱体结构尺寸进行多目标优化，得到舱体各个机构几何尺寸的最优值。该矿用救生舱舱体结构优化设计方法采用多目标优化设计，合理布置材料的整体分布，使得材料性能得到充分利用，最终设计出的舱体坚固性及防爆性好，制造成本低，给工业生产带来和很大的便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种设计方法，尤其是。
技术介绍
目前，近年来，随着能源需求的增大，矿山开采规模的不断扩大和井下作业人员的安全的矛盾日益突出。救生舱的出现，使得发生矿难如瓦斯爆炸、透水及冒顶事故时，井下工作人员可快速进入救生舱保护生命，等待救援，避免人员伤亡。救生舱发挥的作用决定了舱体必须坚固、密闭、防爆及移动方便的特点。在实际应用中，为了追求刚度和强度，设计人员往往根据经验和公式完成设计,这样使得舱体质量过大,成本较高，同时增加使用费用和移动难度，从而严重影响了救生舱的使用和推广；因此合理布置舱体的材料分布、设计舱体结构，从而能够充分利用材料性能，以较小的质量来保证较大的刚度和强度，成为设计救生舱舱体的关键。由此可知，如何设计出质量小、刚度强度好、性价比高的救生舱舱体是目前结构优化设计理论在实际应用中必须解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有的救生舱设计方法容易造成舱体质量过大且成本较高的问题，本专利技术提供，该矿用救生舱舱体结构优化设计方法先用经典力学公式建立数学模型，得到具有较小质量的初始结构，在此基础上进行后续的优化设计，并且利用拓扑优化和各个阶段建立的数学模型，采用多目标优化设计方法，合理布置材料的整体分布，使得材料性能得到充分利用，最终设计出的舱体坚固性及防爆性好，制造成本低，给工业生产带来和很大的便利。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是该矿用救生舱舱体结构优化设计方法的步骤如下1、根据设计要求的体积、载荷边界条件，结合经典力学理论和经验公式对救生舱舱体建立数学模型，目的在于设计出满足使用要求且具有较小质量的初始舱体结构，在这个结构上进行后续的优化设计。建立数学模型如下 其中，为舱体质量，舱体横向许用变形量，许用扭转角，为材料的许用应力，为舱体的第个设计变量，、为第《个设计变量的下限值和上限值，为设计变量的个数。求解得到初始舱体结构尺寸，利用三维软件做出舱体的CAD模型。、建立ansys文件，设定分析作业名和标题，定义单元类型和材料属性，导入救生舱舱体的CAD模型，划分网格，然后加载边界条件，进行求解，查看舱体初始结构的应变云图和应力云图，根据应变云图和应力云图来判断步骤I所述的初始结构是否有优化空间；如有优化空间，则进行下一步。在应变云图中，最大应变量小于许用应变量，且结构的大部分应变量较小的情况下；同时在应力云图中，最大应力值小于材料的弹性极限，且结构的大部分应力值远小于弹性极限的情况下，证明初始结构具有较大的优化空间。、在步骤2的基础上，给出结构的参数，包括材料特性、模型及载荷，并考虑要省去的材料百分比，对舱体的初始结构进行拓扑优化，得到拓扑优化密度云图。拓扑优化的目标是在满足结构约束情况下寻找最佳材料分配方案，提高结构的刚度。、参考拓扑优化结果，根据制造要求和空间布置需要，提取出适合于实际应用的结构，确定舱体各个单元的形状和空间位置。此时各个单元的形状和空间位置均以确定，但具体的尺寸还未确定，下面的步骤就是建立合适的数学模型，确定舱体的各个空间单元的具体尺寸。、对步骤4中提取的模型的空间单元尺寸进行优化，确定加强筋板的状态分布和材料分布。根据弹性屈曲理论，加强筋板的屈曲模态主要与加强筋板刚度有关，因此，建立加强筋板极限强度公式，设计一种基于最小用钢量优化的布筋优化方法。以加强筋板尺寸和数量为决策变量，以单位重量母板的加强筋板用钢量为目标函数，以加劲板发生整体屈曲破坏、肋间母板和加强筋板不发生局部屈曲、极限强度满足设计要求为约束条件，建立布筋问题的数学模型，迭代得出最优值。由于布筋问题和母板的尺寸紧密联系，而舱体的整体质量主要由母板和加强筋板构成。显然，舱体的轻量化问题转化为一个多目标优化设计问题，现采用线性加权和法来解决该问题。以舱体各个单元几何尺寸为设计变量，以边界约束、性能约束为约束条件，分别以单位重量母板的加强筋板用钢量，母板质量的建立目标函数，利用线性加权和法建立评价函数如下 迭代求解，得到评价函数处于最小值时各个设计变量的最优解，即为优化结束后舱体的最佳结构尺寸。本专利技术的有益效果是，该矿用救生舱舱体结构优化设计方法采用多目标优化设计，合理布置材料的整体分布，使得材料性能得到充分利用，最终设计出的舱体坚固性及防爆性好,制造成本低,给工业生产带来和很大的便利。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是优化设计整体流程图。图2是舱体初始结构的三维线框图。图3是舱体初始结构的应变云图。图4是舱体初始结构的应力云图。图5是拓扑优化结果图。图6是拓扑优化后重新建立的模型线框图。图7是优化完成后的救生舱舱体模型图。图8是优化后舱体的各个单元尺寸示意图。在图中，1.遮护板，2.踏步平台，3.板法兰，4.加强筋板，5.舱体。具体实施方式在图中，该矿用救生舱舱体结构优化设计方法的步骤如下1.根据设计的体积要求、载荷边界条件，结合经典力学理论和经验公式对救生舱舱体建立数学模型，目的在于设计出满足使用要求且具有较小质量的初始舱体结构，在这个结构上进行后续优化设计。救援舱所用材料为普通低合金钢，牌号为，密度=，舱体机构采用焊接式闭式舱体。其中，设计目标初始舱体结构质量最小；设计变量舱体横截面尺寸；约束条件刚度、强度条件，尺寸约束。建立质量数学模型如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
矿用救生舱舱体结构优化设计方法，其特征在于，根据设计要求的体积、载荷边界条件，结合经典力学理论和经验公式对救生舱舱体建立数学模型，目的在于设计出满足使用要求且具有较小质量的初始舱体结构，在这个结构上进行后续的优化设计；建立数学模型如下：其中，为舱体质量，舱体横向许用变形量，许用扭转角，为材料的许用应力，为舱体的第个设计变量，、为第个设计变量的下限值和上限值，为设计变量的个数；求解得到初始舱体结构尺寸，利用三维软件做出舱体的CAD模型；建立ansys文件，设定分析作业名和标题，定义单元类型和材料属性，导入救生舱舱体的CAD模型，划分网格，然后加载边界条件，进行求解，查看舱体初始结构的应变云图和应力云图，根据应变云图和应力云图来判断前一步所述的初始结构是否有优化空间；如有优化空间，则进行下一步；在应变云图中，最大应变量小于许用应变量，且结构的大部分应变量较小的情况下；同时在应力云图中，最大应力值小于材料的弹性极限，且结构的大部分应力值远小于弹性极限的情况下，证明初始结构具有较大的优化空间；在前一步的基础上，给出结构的参数，包括材料特性、模型及载荷，并考虑要省去的材料百分比，对舱体的初始结构进行拓扑优化，得到拓扑优化密度云图；拓扑优化的目标是在满足结构约束情况下寻找最佳材料分配方案，提高结构的刚度；参考拓扑优化结果，根据制造要求和空间布置需要，提取出适合于实际应用的结构，确定舱体各个单元的形状和空间位置；对上一步中提取的模型的空间单元尺寸进行优化，确定加强筋板的状态分布和材料分布；以加强筋板尺寸和数量为决策变量，以单位重量母板的加强筋板用钢量为目标函数，以加劲板发生整体屈曲破坏、肋间母板和加强筋板不发生局部屈曲、极限强度满足设计要求为约束条件，建立布筋问题的数学模型，迭代得出最优值；由于布筋问题和母板的尺寸紧密联系，而舱体的整体质量主要由母板和加强筋板构成；显然，舱体的轻量化问题转化为一个多目标优化设计问题，现采用线性加权和法来解决该问题；以舱体各个单元几何尺寸为设计变量，以边界约束、性能约束为约束条件，分别以单位重量母板的加强筋板用钢量，母板质量的建立目标函数，利用线性加权和法建立评价函数如下：迭代求解，得到评价函数处于最小值时各个设计变量的最优解，即为优化结束后舱体的最佳结构尺寸。782601dest_path_image001.jpg,992784dest_path_image002.jpg,327950dest_path_image003.jpg,119189dest_path_image004.jpg...

【技术特征摘要】
1.矿用救生舱舱体结构优化设计方法，其特征在于，根据设计要求的体积、载荷边界条件，结合经典力学理论和经验公式对救生舱舱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳波，李中凯，千红涛，李锋，魏子庆，赵翔宇，屈坤，王乃格，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：