[發明專利]一種基于徑向基函數代理模型的提升機天輪輕量化設計方法

有效

• 申請號: 202110290251.8
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN112949137B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 宋學官;崔鵬;何西旺;周長安;周威豪
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06T17/20;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種基于徑向基函數代理模型的提升機天輪輕量化設計方法，屬于大型礦井提升機天輪的輕量化設計領域。首先，以大型礦井提升機的天輪為研究對象，根據有限元法，計算出正常工況下天輪應力分布及幅值，并通過現場的實驗數據對有限元模型進行驗證分析；然后，在應力分布較為集中的輪輻工藝孔處定義八個結構參數為設計變量，選取樣本點建立天輪徑向基函數代理模型，以天輪質量最小為目標、天輪等效應力幅值為約束，對天輪進行輕量化設計；最后，將優化后的天輪三維模型進行有限元分析，對優化的精度進行驗證。本發明計算結果準確性高，能夠實現天輪的輕量化設計，單個天輪在經過優化后質量減少5.82％，等效應力幅值減小0.41％。

技術領域

本發明屬于大型礦井提升機天輪的輕量化設計領域，涉及到一種基于徑向基函數代理模型的提升機天輪輕量化設計方法。

背景技術

近年來，隨著社會經濟發展對礦產資源的需求迅速增加，能源短缺問題日益突出，然而地表淺層的礦產資源日益枯竭，深層礦產資源的開發和利用則顯得越來越重要。在礦產業中，大型礦井提升機是最常用的礦山設備，它擔負著礦井的礦產、工作人員、各種材料和設備的提升、下降等運送任務，是礦產業中極為重要的組成部分。天輪作為大型礦井提升機主要的受力承載體，在整個提升過程保證鋼絲繩在摩擦輪上的圍包角以及導向的平穩性能，其性能直接影響著整個提升系統。隨著大型礦井提升機的需求向高速、穩定、重載、超壓等方向發展，為應對更加復雜和更大負載的工況，保證其強度和穩定性，天輪的直徑在不斷增大，質量也隨之增加。但是這不僅帶來材料和能源消耗的增加，也使天輪的運輸、安裝及維護更加不便，同時也使天輪主軸等部件的負載增加，造成了一定的安全隱患。所以，對天輪進行輕量化設計的相關研究有著極其重要的意義。

現有的大型礦井提升機天輪輕量化設計，主要是依靠設計師的經驗和前人對設計經驗的總結，這種傳統的設計方法有很多的缺點，不僅開發周期較長、開發成本高、設計效率較低，而且無法確定優化后的模型是否為最優結果。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在的不足提供一種計算結果準確性高、可以縮短天輪輕量化設計周期和開發成本的基于徑向基函數代理模型的提升機天輪輕量化設計方法，該設計方法對大型礦井提升機的天輪進行輕量化設計。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種基于徑向基函數代理模型的提升機天輪輕量化設計方法，該方法以大型礦井提升機的天輪為研究對象，基于天輪所受繩張力沿徑向呈正弦分布，沿軸向呈均勻分布的加載原理，根據有限元法，計算出正常工況下天輪應力分布及幅值，并通過現場的實驗數據對有限元模型進行驗證分析，然后在應力分布較為集中的輪輻工藝孔處定義八個結構參數為設計變量，利用最優拉丁超立方試驗設計方法選取樣本點，建立了天輪徑向基函數代理模型，以天輪質量最小為目標，以天輪等效應力幅值為約束，并運用自適應模擬退火優化算法，對天輪進行輕量化設計，并將優化后的天輪三維模型經有限元分析對優化的精度進行驗證。具體包括以下步驟：

第一步，確定研究對象及其受載和約束條件。

以大型礦井提升機的天輪為研究對象，根據正常工況下的工作參數，分析天輪在該工況下的受載情況，確定有限元邊界條件，即天輪受到的載荷主要為繩張力產生的徑向分力，沿包裹角近似呈正弦分布，沿面寬呈均勻分布，受到的約束為輪轂處受到徑向和軸向約束。

第二步，建立有限元模型，并將計算出的仿真結果與實驗對標。

2.1)首先，根據大型礦井提升機的天輪實體，建立初始的天輪三維模型，并進行簡化處理，刪去影響不大的法蘭、倒角、小工藝孔、小肋板和槽等結構，只考慮天輪輪轂、輪輞和輪輻結構作為研究對象進行分析，以便于計算。

2.2)然后，對簡化后的天輪三維模型進行四面體網格劃分，建立天輪有限元模型，并根據第一步中確定的受載和約束條件，對天輪有限元模型施加邊界條件，進行有限元計算，得到仿真結果，其中仿真結果包括天輪等效應力幅值等結果。