支护棚架的载荷优化方法和装置制造方法及图纸

本公开提出了一种支护棚架的载荷优化方法和装置，涉及支护棚架装置设计技术领域，包括：基于与所述支护棚架的顶梁模型对应的各个设计变量和所述设计变量的设计域，采用均匀拉丁超立方试验设计方法选取多组DOE设计点；基于DOE设计点进行参数化建模和有限元仿真计算；基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿。由此，根据不同的设计偏好和设计要求，可以从帕累托前沿上选取合适的顶梁结构设计应用于巷道支护，对巷道顶部形成拱形载荷分布，最大限度的实现对支撑力的有效利用，从而为实现支护设备的轻量化奠定基础。为实现支护设备的轻量化奠定基础。为实现支护设备的轻量化奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
支护棚架的载荷优化方法和装置


[0001]本公开涉及支护棚架装置设计
，尤其涉及一种支护棚架的载荷优化方法和装置。

技术介绍

[0002]有关统计资料表明：煤矿安全事故中冒顶事故占40％，顶板冒顶事故及两帮片帮比重很大。井下煤层的赋存条件不尽相同，煤矿巷道所在的岩层多为层状且节理、裂隙比较严重，尤其深部巷道尤为明显，导致煤层及巷道顶板稳定性问题变得突出起来，必需进行稳定持久的支护才能实现安全高效的采煤。煤矿中使用支护设备的目的是控制工作面裸露顶板和两帮的围岩变形量较小，保持变形量基本上在弹塑性的范围内。它既能起到安全支护的作用又能减轻工人的劳动强度，达到高产高效、安全低耗的目的。目前国内外煤矿井下巷道掘进主要应用掘进机进行掘进，而巷道掘进的效率不仅受掘进机工作效率的限制，而且受支护与临时支护效率的限制，一个工作班基本上三分之一时间用于掘进，三分之二时间用于临时支护和永久支护，这极大的影响了正常的掘进效率。掘进机掘进后如果临时支护不能及时进入，裸露围岩暴露时间过长,在重力作用和围岩间相互作用下就会发生离层和变形，所以在永久支护前采用临时支护可以及时的控制围岩离层和变形。在综掘工作面内，随着掘进机在巷道内掘进，在进行永久支护之前需要配合临时支护以加快掘进速度。科学合理的巷道临时支护装置设计，对于改善巷道支护效果，减轻工人劳动强度，提高煤矿生产力，提高煤矿经济效益都有着重要意义。目前在我国，软岩、半煤岩巷变形量大，变形速率快，持续时间长，流变性突出。大部分煤矿井下巷道应用最多的临时支护方式为单体液压支柱配合金属铰接横梁、或原始的双排木支柱加木横梁支护、或普通横梁门形支护棚架。
[0003]当前临时支护设备普遍存在以下几个问题：未详细考虑围岩的应力分布以及与临时支护设备之间的相互作用，为了提高支护效果，只能一味采取保守设计，不能充分利用材料，导致设备笨重庞大，不适于井下使用。普通横梁门形支护棚架与巷道顶板接触会发生弹性形变，使其支撑力向其立柱方向集中，并且由于顶板的不平整，会发生局部应力集中，所以在其接顶的同时，往往需要将顶板的局部凸起部位压碎后才能形成有效接触，这就对顶板造成了极大的损坏。同时由于其支撑支护效果差，不得不加大初撑力，进一步加剧了对顶板造成的损坏。以上原因也是普通门形支护棚架不可以对巷道进行反复支撑的原因。临时支护设备普遍采用刚性接顶，进一步对巷道局部凸起造成压溃，在支撑与撤离过程中，造成对顶板的反复伤害，甚至引起围岩二次松动，造成了巷道煤岩的整体性和稳定性的破坏。
[0004]因而，如何提高支科学合理的进行巷道临时支护装置设计，改善巷道支护效果是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]本公开第一方面实施例提出了一种支护棚架的载荷优化方法，包括：
[0007]基于与所述支护棚架的顶梁模型对应的各个设计变量和所述设计变量的设计域，采用均匀拉丁超立方试验设计方法选取多组DOE设计点；
[0008]基于所述多组DOE设计点进行参数化建模和有限元仿真计算，并将仿真计算的结果作为初始种群；
[0009]基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿。
[0010]本公开第二方面实施例提出了一种支护棚架的载荷优化装置，包括：
[0011]选取模块，用于基于与所述支护棚架的顶梁模型对应的各个设计变量和所述设计变量的设计域，采用均匀拉丁超立方试验设计方法选取多组DOE设计点；
[0012]计算模块，用于基于所述多组DOE设计点进行参数化建模和有限元仿真计算，并将仿真计算的结果作为初始种群；
[0013]处理模块，用于基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿。
[0014]本公开第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如本公开第一方面实施例提出的支护棚架的载荷优化方法。
[0015]本公开第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本公开第一方面实施例提出的支护棚架的载荷优化方法。
[0016]本公开提供的支护棚架的载荷优化方法、装置、设备及存储介质，存在如下有益效果：
[0017]首先基于与所述支护棚架的顶梁模型对应的各个设计变量和所述设计变量的设计域，采用均匀拉丁超立方试验设计方法选取多组DOE设计点，然后基于所述多组DOE设计点进行参数化建模和有限元仿真计算，并将仿真计算的结果作为初始种群，之后基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿。由此，通过进行多目标优化，使得各设计变量合理匹配，实现了性能目标的有效提升，可以根据不同的设计偏好和设计要求，可以从帕累托前沿上选取合适的顶梁结构设计应用于巷道支护，对巷道顶部形成拱形载荷分布，最大限度的实现对支撑力的有效利用，从而为实现支护设备的轻量化奠定基础。
[0018]本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
[0019]本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020]图1为本公开实施例所提供的一种支护棚架的载荷优化方法的流程示意图；
[0021]图2为本公开实施例所提供的一种临时支护棚架拱形载荷分布示意图；
[0022]图3为本公开实施例所提供的一种顶梁的参数化建模示意图；
[0023]图4为本公开实施例所提供的一种有限元模型的示意图；
[0024]图5为本公开实施例所提供的不同支撑力下的载荷分布的示意图；
[0025]图6为本公开实施例所提供的一种支护棚架的载荷优化方法的流程示意图；
[0026]图7为本公开实施例所提供的一种多目标优化流程图；
[0027]图8为本公开实施例所提供的一种支护棚架的载荷优化装置的结构框图；
[0028]图9示出了适于用来实现本公开实施方式的示例性计算机设备的框图。
具体实施方式
[0029]下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
[0030]下面参考附图描述本公开实施例的支护棚架的载荷优化方法、装置、计算机设备和存储介质。
[0031]需要说明的是，本公开实施例中的支护棚架的载荷优化方法的执行主体为支护棚架的载荷优化装置，该装置可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支护棚架的载荷优化方法，其特征在于，包括：基于与所述支护棚架的顶梁模型对应的各个设计变量和所述设计变量的设计域，采用均匀拉丁超立方试验设计方法选取多组DOE设计点；基于所述多组DOE设计点进行参数化建模和有限元仿真计算，并将仿真计算的结果作为初始种群；基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个设计变量至少包含：纵梁两端高度；顶梁宽度；顶板厚度；底板厚度；加强筋数目；加强筋厚度；纵梁中间位置高度；纵梁厚度；丁腈橡胶50A两端高度；丁腈橡胶50A中间位置高度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基于经过验证的克里金代理模型和所述初始种群，采用遗传算法对不同支撑力作用下的顶梁结构进行支护性能多目标优化处理，以输出帕累托前沿之前，还包括：构建支护棚架在目标工作阻力和目标初撑力对应的支护强度目标分布下的第一目标函数和第二目标函数；以最小化所述第一目标函数和第二目标函数的值为目标，构建多个候选代理模型，并利用当前选取的各个测试点对所述多个候选代理模型进行检验；根据多个候选代理模型对应的各个测试点的实际值和预测值，确定每个候选代理模型对应的预测精度，其中，所述多个候选代理模型至少包含Kriging模型、径向基函数模型、KPLS模型、最小二乘模型；将所述预测精度最大的所述候选代理模型作为待使用的代理模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述构建支护棚架在目标工作阻力和目标初撑力对应的支护强度目标分布下的第一目标函数和第二目标函数，包括：查询与当前巷道宽度的所述支护棚架对应的目标工作阻力和目标初撑力；获取与所述目标工作阻力和目标初撑力对应的支护强度目标分布；基于所述支护强度目标分布，构建第一目标函数和第二目标函数。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述确定每个候选代理模型对应的预测精度之后，还包括：在所述多个候选代理模型对应的预测精度均不满足预设的精...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹云，王梁，廖静平，王海军，王洪磊，孟建新，刘少权，赵建，杨晓辉，
申请(专利权)人：煤炭科学研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：