一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，属于矿用支护设备优化技术领域，包括以下步骤：根据需要成形的锚固托盘，确定锚固托盘拓扑结构的形式及尺寸；根据拓扑结构的形式及尺寸，结合拓扑结构的位置，构建三维宏观穹顶结构；采用四面体单元进行网格划分并与拓扑优化相结合得到具有任意几何形状的结构；在设定的约束条件下，通过拓扑优化得到最优密度分布；将点阵结构的结构参数与密度联系起来构建微点阵穹顶结构；构建三维模型进行CAE仿真，通过对比仿真得到的应力分布与拓扑优化得到的密度分布，验证最优变密度模型结构。变密度模型结构。变密度模型结构。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法


[0001]本专利技术属于矿用支护设备优化
，具体涉及一种具有高吸 能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现 有技术。
[0003]锚杆支护是煤矿巷道主体支护形式，锚固托盘是锚杆支护系统中 的关键构件之一。锚固托盘作为锚杆支护系统中一个重要部位，其性 能直接影响到锚杆的支护效果。托盘的作用是把螺母锁紧力矩所产生 的推力传递给顶帮，产生初锚力，同时又将巷道顶帮的压力传递给锚 杆，产生工作阻力，共同加固围岩，阻止巷道顶帮的位移。在选择托 盘时，一是要满足锚杆托盘与锚杆杆体在强度上的匹配，避免因为锚 杆托盘的强度不够而造成锚杆穿孔现象。二是要满足锚杆托盘与锚杆 杆体在支护结构上的匹配，避免因锚杆杆体与托盘在支护结构上的不 匹配而造成锚杆杆体及螺母受力不均，影响巷道的支护效果。
[0004]在非冲击地压巷道中，锚杆托板与围岩的相互作用以静态或准静 态为主，作用力变化幅度相对较小。而在冲击地压发生时，托板受力 显著不同，托板与围岩间的作用不仅受静载荷作用，还会受到冲击动 载荷的影响。杆支护系统受到冲击载荷作用时，冲击载荷造成围岩与 托板间作用力瞬间增加，造成托板接触区域围岩破裂、垮落，托板悬 空失效。对于强度较高的围岩，托板出现过载弯折、撕裂，甚至造成 锚杆破断。因此，托板作为预应力锚杆支护系统中的核心构件，其力 学性能直接关系到锚杆支护在冲击地压巷道中的防冲效果。/>[0005]随着能源需求的不断加大，煤矿已经逐步进入深部开采。然而深 部开采所面临的高地应力、高地温、高渗透压以及强烈的开采扰动， 给深部煤矿巷道的锚固带来了巨大的挑战。而研究一种高吸能拓扑结 构托盘是非常有必要的，不仅可以提供足够承载力，又能实现让压吸 能。而目前矿井使用的锚固托盘，包括平板形托盘、铸铁托盘、碟形 托盘等，冲击载荷作用下易发生突然变形卸载或断裂的技术问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种具有高吸能 特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，该方法以微点阵穹顶结构 的吸能最大化为目标，对锚固托盘进行拓扑结构优化，使托盘在承受 冲击时不易发生破坏和变形。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的 拓扑结构优化方法，包括以下步骤：
[0009]根据需要成形的锚固托盘，确定锚固托盘拓扑结构的形式及尺 寸；
[0010]根据拓扑结构的形式及尺寸，结合拓扑结构的位置，构建三维宏 观穹顶结构；
[0011]采用四面体单元进行网格划分并与拓扑优化相结合得到具有任 意几何形状的结
构；在设定的约束条件下，通过拓扑优化得到最优密 度分布；
[0012]将点阵结构的结构参数与密度联系起来构建微点阵穹顶结构；
[0013]构建三维模型进行CAE仿真，通过对比仿真得到的应力分布与 拓扑优化得到的密度分布，验证最优变密度模型结构。
[0014]作为进一步的技术方案，锚固托盘为圆台式锚固托盘，拓扑结构 的形式为多孔微点阵穹顶结构。
[0015]作为进一步的技术方案，三维宏观穹顶结构由四分之一半球壳的 交叉重复排列形成。
[0016]作为进一步的技术方案，在设定的约束条件下，以微点阵穹顶结 构的吸能最大化为优化目标，得到密度分布的最优解。
[0017]作为进一步的技术方案，根据单元的密度生成相应的四面体晶格 结构，形成四面体网格结构，建立结构参数与密度之间的关系，根据 关系函数，确定微点阵穹顶结构。
[0018]作为进一步的技术方案，通过拓扑优化得到单元密度分布后，构 造三维模型，选用静态结构算法进行压缩仿真，将压缩模型设为线弹 性材料模型。
[0019]作为进一步的技术方案，还包括以下步骤：通过3D打印技术制 作优化后的锚固托盘，并通过压缩试验测其能量吸收，并与普通结构 的锚固托盘吸能相比较。
[0020]作为进一步的技术方案，采用与拉伸试样打印相同的工艺参数， 打印出了微点阵穹顶结构，进行压缩实验。
[0021]作为进一步的技术方案，压缩试验后，得到吸能效果曲线并与普 通结构在压缩下的吸能曲线相比较，在位移相同的条件下，对比其吸 收能量的多少。
[0022]作为进一步的技术方案，3D打印采用的材料为铝合金或钛合金。
[0023]上述本专利技术的有益效果如下：
[0024]本专利技术的方法，建立托盘的三维宏观穹顶结构后，以微点阵穹顶 结构的吸能最大化为目标，对锚固托盘进行拓扑结构优化，使得优化 的托盘具有高吸能特性，在不改变高强度锚杆杆体的前提下，最大程 度的利用自身结构优势吸收和消耗大量的冲击能量，保证了高强度锚 杆和拓扑结构托盘在承受冲击时不易发生破坏和变形。
[0025]本专利技术的方法，通过增材制造与拓扑优化的协同作用，在给定的 载荷和边界条件下，在给定的设计空间内迭代改进材料布局的结构优 化技术，使得材料损耗小。
附图说明
[0026]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步 理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对 本专利技术的不当限定。
[0027]图1为拓扑结构优化方法的流程图；
[0028]图2(a)为穹顶结构的基本拓扑示意图；
[0029]图2(b)为图2(a)中穹顶结构的端面示意图；
[0030]图3为多孔微点阵穹顶结构示意图；
[0031]图4为穹顶结构压缩模型；
[0032]图5为刚体下压缩仿真模型的边界条件图；
[0033]图6为锚固装置示意图；
[0034]图7为锚杆与锚固托盘的应力应变关系曲线示意图；
[0035]图8为压缩试验下不同结构的吸能示意图；
[0036]图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅 作示意使用；
[0037]其中，1
‑
锚杆；2
‑
应力扩散托盘；3
‑
地下结构底板；4
‑
锁紧螺母； 5
‑
锚杆应力应变关系曲线；6
‑
锚固托盘应力应变曲线；7
‑
微点阵穹顶 结构吸能图；8
‑
普通结构吸能图。
具体实施方式
[0038]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一 步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与 本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0039]本专利技术的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种具有高 吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，包括如下顺序的步 骤：
[0040]步骤1：根据需要成形的锚固托盘以及穹顶结构具有较强的抗破本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，其特征是，包括以下步骤：根据需要成形的锚固托盘，确定锚固托盘拓扑结构的形式及尺寸；根据拓扑结构的形式及尺寸，结合拓扑结构的位置，构建三维宏观穹顶结构；采用四面体单元进行网格划分并与拓扑优化相结合得到具有任意几何形状的结构；在设定的约束条件下，通过拓扑优化得到最优密度分布；将点阵结构的结构参数与密度联系起来构建微点阵穹顶结构；构建三维模型进行CAE仿真，通过对比仿真得到的应力分布与拓扑优化得到的密度分布，验证最优变密度模型结构。2.如权利要求1所述的具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，其特征是，锚固托盘为圆台式锚固托盘，拓扑结构的形式为多孔微点阵穹顶结构。3.如权利要求1所述的具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，其特征是，三维宏观穹顶结构由四分之一半球壳的交叉重复排列形成。4.如权利要求1所述的具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，其特征是，在设定的约束条件下，以微点阵穹顶结构的吸能最大化为优化目标，得到密度分布的最优解。5.如权利要求1所述的具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆贺，杨发旺，章政，梁致威，王晓蕊，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：