基于拓扑优化和形状优化技术的新型防爆密闭门结构设计

发布时间：2017-05-16 22:13

  本文关键词：基于拓扑优化和形状优化技术的新型防爆密闭门结构设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：防爆密闭门作为煤矿井下紧急避险系统的关键部件,有着很高的质量要求。拓扑优化技术和形状优化技术,是CAE优化技术中应用最为广泛的两种优化技术。CAE优化技术虽然提出较早,但在国内很少被应用在产品的结构设计过程中。本文针对某企业设计开发的矿用防爆密闭门,依据《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件》中对数值模拟分析的要求,得出防爆密闭门表面所受最大冲击波压力载荷为0.6MPa,作用时间为300ms。在此工况下,利用ANSYS/LS-DYNA软件,对其抗爆炸冲击性能进行数值模拟分析。本文定量分析了防爆密闭门的强度、刚度、密封性和导热性。因产品原始设计结构的抗冲击性能不能达到标准要求,故需对其进行结构设计优化,从而使其性能指标达到标准要求。本文运用了两种结构设计优化方法,分别对防爆密闭门原始结构进行优化设计,即：(1)基于传统设计经验的结构设计优化(2)基于CAE优化技术的结构设计优化由以上两种结构设计优化方案,得到了两种不同设计结构的防爆密闭门。对这两种不同设计结构的防爆密闭门进行结构对比,并分别对其进行数值模拟分析,可得：(1)基于不同结构设计优化方案得到的两种防爆密闭门,其抗冲击性能均能达到标准要求,产品质量均安全可靠。(2)基于CAE优化技术设计得到的新型防爆密闭门门体质量比基于传统设计经验优化得到的防爆密闭门门体质量减小了14%,产品成本大幅降低,减重成果明显。由此可得本文撰写的两个结论：(1)CAE优化技术的广泛应用,可加速国内的产品设计开发由逆向设计开发转变为正向设计开发,并且设计开发的过程与结果都是高效与准确的。(2)本文提供了一套典型的优化设计技术指导产品结构设计的正向开发流程和经典案例,可对其他产品的正向开发、结构优化设计起思路指导和方法借鉴的作用。
【关键词】：防爆密闭门 拓扑优化 形状优化 结构优化设计 正向设计开发
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD774
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-18
• 1.1 引言15
• 1.2 研究背景15-16
• 1.3 国内外的研究现状16
• 1.4 研究的主要内容及意义16-17
• 1.5 防爆密闭门的工作环境和性能指标17-18
• 第二章 CAE优化设计概述18-26
• 2.1 基于CAE优化技术的产品设计流程变化18-20
• 2.2 结构优化设计概述20
• 2.3 结构优化的分类20-21
• 2.4 拓扑优化和形状优化简介21
• 2.5 OptiStruct简介21-22
• 2.6 空间三维问题的力学基础22-23
• 2.7 八节点六面体单元的刚度矩阵23-26
• 第三章 防爆密闭门的性能数值分析及经验设计优化26-44
• 3.1 引言26
• 3.2 某企业设计开发的防爆密闭门结构概述26-28
• 3.2.1 门体结构特征27
• 3.2.2 门体固定方式27
• 3.2.3 门体结构三维模型27-28
• 3.3 针对某企业设计开发的防爆密闭门进行性能数值分析28-31
• 3.3.1 有限元模型的网格划分28-29
• 3.3.2 定义接触29
• 3.3.3 定义材料属性29
• 3.3.4 定义荷载29-30
• 3.3.5 定义约束30-31
• 3.3.6 企业提供的原始门体的数值分析结果31
• 3.4 针对某企业设计开发的防爆密闭门进行经验结构优化设计31-33
• 3.5 对经验结构优化后的门体进行抗爆性能数值分析33-40
• 3.5.1 经验结构优化后的门体详细有限元模型33-35
• 3.5.2 经验结构优化后的门体各部件强度数值分析结果35-36
• 3.5.3 经验结构优化后的门体刚度数值分析结果36-37
• 3.5.4 经验结构优化后的门体密封性数值分析结果37-40
• 3.6 对经验结构优化后的门体进行隔热性能数值分析40-42
• 3.6.1 门体隔热结构特征40-41
• 3.6.2 门体隔热分析工况41
• 3.6.3 门体隔热分析数值模拟模型41
• 3.6.4 门体隔热分析数值模拟结果41-42
• 3.7 本章小结42-44
• 第四章 运用优化技术的防爆密闭门结构设计44-57
• 4.1 引言44-45
• 4.1.1 针对防爆密闭门使用的拓扑优化技术44-45
• 4.1.2 针对防爆密闭门使用的形状优化技术45
• 4.2 基于拓扑优化技术的防爆密闭门结构加强筋设计45-52
• 4.2.1 拓扑优化过程中的基本参数设置45-46
• 4.2.2 不考虑内缘加强板设计空间的拓扑优化46-47
• 4.2.3 考虑内缘加强板设计空间的拓扑优化47-48
• 4.2.4 许用应力改变后的拓扑优化结果对比48-50
• 4.2.5 根据拓扑优化结果设计的门体结构加强筋50-51
• 4.2.6 基于拓扑优化结果的结构设计方案具体化对比51-52
• 4.3 基于形状优化技术的防爆密闭门结构设计52-53
• 4.3.1 形状优化过程中的基本参数设置52
• 4.3.2 防爆密闭门门板的形状优化52-53
• 4.3.3 防爆密闭门门框的形状优化53
• 4.4 基于优化技术设计的新型防爆密闭门数值分析53-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-62
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况62

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