一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法技术

本发明专利技术一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法，属于矿山液压支架设计技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：使用SolidWorks或NX软件建立数字化模型，该模型包含驱动骨架图和装配组体，使用相应软件简化模型，建立仿真模型并划分网格，设置仿真工况和边界条件，采用有限元分析方法进行仿真，通过液压支架试验台采集数据，根据神经网络算法处理数据对比仿真结果，拓扑优化网格划分和边界条件，降低仿真误差；使用数字化样机和拓扑优化，使用系统利用数据融合、深度学习和数据孪生的交互映射，将孪生数据同步映射到数字化样机，形成数字孪生模型，本发明专利技术应用于矿山液压支架设计。本发明专利技术应用于矿山液压支架设计。本发明专利技术应用于矿山液压支架设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法


[0001]本专利技术一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法，属于矿山液压支架设计


技术介绍

[0002]数字孪生技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的关键技术，通过掌握产品信息及其生命周期过程的数字思路将所有阶段(产品创意、设计、制造规划、生产和使用)衔接起来，并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。数字孪生作为人类解构、描述、认识物理世界的新一代信息技术，直接面向人工智能国家战略中解决先进制造、能源工业等任务需求，是当今计算机仿真和图像处理领域中一个非常活跃的研究方向，已经成为全球信息技术发展的新焦点，其成果直接应用于航天航空、先进制造、能源开采、智慧城市、视频监控、人机交互等领域。
[0003]液压支架是煤矿开采的关键设备之一，其可靠性和安全性直接影响着生产的正常进行，目前液压支架的强度校核多根据国标通用技术条件规定的工况进行试验来保证产品的安全性，由于相关规定的工况较多，因而在设计液压支架实用结构的实验时间周期过长，最终得到设计产品的可靠性也无法进行验证和保障，在高成本的产品设计投入中，得到的产品质量较差，降低了产品的交付速度。
[0004]目前仍然没有基于数字孪生技术进行液压支架设计的方案，如果该技术可以实现，则在液压支架设计开发阶段可采用有限元的方法进行模拟和仿真，并通过拓扑优化方案解决试验周期带来的影响，其仿真结果能够快速反馈到数字模型上，以提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法的改进。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于建立数字孪生模型的矿山液压支架设计方法，包括如下设计步骤：
[0007]步骤S10：使用SolidWorks或NX软件建立数字化模型，该模型包含驱动骨架图和装配组体，所述数字化模型具体的建立步骤为：
[0008]步骤S101：通过液压支架的总体设计建立用于驱动部件的参数骨架；
[0009]步骤S102：根据参数骨架和设计规范完成液压支架零部件的详细设计；
[0010]步骤S103：部件参数骨架通过铰接轴和千斤顶完善总体骨架设计；
[0011]步骤S104：通过总体骨架设计完成数字化样机的总体装配，驱动总体骨架调节支架的运动趋势和姿态变化；
[0012]步骤S105：通过运动仿真验证不同工况下的产品结构，完善数字化样机模型；
[0013]步骤S20：使用SolidWorks或NX软件简化模型，建立仿真模型，使用HyperWorks或
NX软件划分网格，使用ABAQUS和NX Nastran软件设置仿真工况和边界条件，采用有限元分析方法进行仿真，通过液压支架试验台采集数据，根据神经网络算法处理数据对比仿真结果，拓扑优化网格划分和边界条件，降低仿真误差；
[0014]所述拓扑优化具体的操作步骤为：
[0015]步骤S201：使用SolidWorks或NX软件去除与仿真无关的部件和零件，简化数字化样机模型，建立仿真模型并设置零部件之间的连接关系；
[0016]步骤S202：使用HyperWorks或NX软件对步骤S201中的仿真模型设置材料及其参数，采用二阶四面体单元和一阶六面体单元对结构件进行划分进行网格划分，得到液压支架的有限元模型；
[0017]步骤S203：根据液压支架主体结构件强度试验要求，使用ABAQUS和NX Nastran软件设置全部工况，调整相应的垫块尺寸，采用内加载的方式模拟立柱、设置载荷大小、设置摩擦接触，然后对分析结果进行应力和位移云图的展示和分析；
[0018]步骤S204：根据液压支架主体结构件强度试验要求，针对各工况和疲劳试验要求的组合加载，每次设置8个应力检测点，每个检测点均用高精度电阻式应变片测量应变量，将高精度电阻式应变片的导线连接到控制台接线箱，采集液压支架试验过程中的应变数据，使用LSTM数据预处理算法和BP神经网络处理数据，然后将处理后的数据与应力和位移云图对比，调整步骤S202和S203中网格的划分和边界条件，使仿真模拟趋近与真实试验结果，降低仿真误差；
[0019]步骤S205：结合有限元分析进行拓扑优化；
[0020]步骤S30：使用数字化样机和拓扑优化，通过PDM系统，利用数据融合、深度学习和数据孪生的交互映射，将孪生数据同步映射到数字化样机，形成数字孪生模型，具体步骤为：
[0021]步骤S301：根据步骤S20中有限元分析的结果，结合有限元分析的拓扑优化，通过步骤S10中建立的数字化模型优化支架设计，建立动态反馈；
[0022]步骤S302：孪生数据同步映射包含物理模型的一切相关数据信息，包括液压支架仿真模型的边界条件和数据，同时通过PDM系统实时更新数据、调整参数优化数字化模型，实现模型的迭代优化，进而优化设计方法。
[0023]本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术主要基于仿真模型建立矿山液压支架数字孪生验证模型，采用数字化样机、拓扑优化、数字孪生模型，建立液压支架的数字化样机和仿真模型，有限元分析和采集试验台数据，运用神经网络算法优化有限元分析的网格划分和边界条件的加载，实现模型拓扑优化，建立数字孪生模型；在产品的设计阶段，可以采用数字孪生模型快速准确设计出一款新型号的支架，从而提高设计的准确性，并模拟验证产品在真实矿井环境和安标试验中的性能，有效提高了设计产品的质量，降低产品的生产成本并提高产品的交付速度。
附图说明
[0024]下面结合附图对本专利技术做进一步说明：
[0025]图1为本专利技术液压支架数字化样机装配组体示意图；
[0026]图2为本专利技术液压支架数字化样机的参数骨架示意图；
[0027]图3为本专利技术采用的仿真模型示意图；
[0028]图4为本专利技术设计液压支架的网格划分示意图；
[0029]图5为本专利技术设计液压支架的有限元迭代图；
[0030]图6为本专利技术设计非多孔零件的拓扑优化迭代示意图；
[0031]图7为本专利技术设计液压支架整机的有限元分析示意图。
具体实施方式
[0032]如图1至图7所示，本专利技术具体提供一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法，该方法采用数字化样机模型建立、拓扑优化、数字孪生模型，建立液压支架的数字化样机和仿真模型，通过有限元分析和试验台数据，运用神经网络算法优化有限元分析的网格划分和边界条件的加载，实现模型的拓扑优化，进而建立数字孪生模型。本专利技术具体利用SolidWorks或NX软件建立参数骨架和数字化样机，通过驱动总体骨架调节验证支架的运动趋势和姿态变化，通过数字化样机运动仿真验证支架结构，优化产品和设计；然后简化模型建立仿真模型，再利用ABAQUS或NX Nastran软件进行有限元分析，分析结果优化模型，并与通过液压支架压架试验台采集的多项本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于建立数字孪生模型的矿山液压支架设计方法，其特征在于：包括如下设计步骤：步骤S10：使用SolidWorks或NX软件建立数字化模型，该模型包含驱动骨架图和装配组体，所述数字化模型具体的建立步骤为：步骤S101：通过液压支架的总体设计建立用于驱动部件的参数骨架；步骤S102：根据参数骨架和设计规范完成液压支架零部件的详细设计；步骤S103：部件参数骨架通过铰接轴和千斤顶完善总体骨架设计；步骤S104：通过总体骨架设计完成数字化样机的总体装配，驱动总体骨架调节支架的运动趋势和姿态变化；步骤S105：通过运动仿真验证不同工况下的产品结构，完善数字化样机模型；步骤S20：使用SolidWorks或NX软件简化模型，建立仿真模型，使用HyperWorks或NX软件划分网格，使用ABAQUS和NX Nastran软件设置仿真工况和边界条件，采用有限元分析方法进行仿真，通过液压支架试验台采集数据，根据神经网络算法处理数据对比仿真结果，拓扑优化网格划分和边界条件，降低仿真误差；所述拓扑优化具体的操作步骤为：步骤S201：使用SolidWorks或NX软件去除与仿真无关的部件和零件，简化数字化样机模型，建立仿真模型并设置零部件之间的连接关系；步骤S202：使用HyperWorks或NX软件对步骤S201中的仿真模型设置材料及其参数，采用二阶四面体单元和一阶六面体单元对结构件进行划分进行网格划分，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：李璟，赵红梅，李淑琴，张迪，王翀，霍玉婷，
申请(专利权)人：山西平阳煤机装备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：