[发明专利]一种矿用救生舱舱体结构优化设计方法

摘要

本发明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。

主权项

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。