基于ANSYS的冻结井可缩性井壁接头优化设计

发布时间：2020-07-21 13:53

【摘要】：自二十世纪八十年代以来,我国黄淮地区较多采用冻结法施工的煤矿立井井筒相继发生破坏,经研究发现,因地下含水层疏水沉降而作用于立井井壁上的负摩擦力(竖向附加力)是造成冻结井筒破坏的主要原因。为此,安徽理工大学及其合作单位研制了冻结井筒竖向可缩性井壁接头,设置于冻结井筒的内层井壁中,用来衰减竖向附加力和保障立井井筒的安全。冻结井可缩性井壁接头虽已成功应用于多个煤矿立井井筒,但其优化设计方法值得进一步探讨。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,基于ANSYS有限元程序,分别以祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头为研究对象,对冻结井可缩性井壁接头的力学性能和优化设计方法进行了研究。其主要研究内容和成果如下:(1)根据祁南矿北风井和杨村矿风井的井壁结构方案,采用简化设计理论,对祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头参数进行了初步设计,祁南矿北风井的井壁接头采用双立板结构形式,设置于-258m和-303m层位;杨村矿风井的井壁接头采用三立板结构形式,设置于-440m和-550m层位。(2)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS程序建立轴对称有限元模型,对井壁接头的力学性能进行了分析,双立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为22.4、28MPa;三立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为28、30.8MPa。(3)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS有限元程序,以接头的各立板厚度为设计变量,以竖向荷载作用下接头的最大Von Mises等效应力为状态变量,以接头的横截面面积为目标函数,对井壁接头进行了优化设计,从而将双立板井壁接头的外立板厚度减薄了10mm,将三立板井壁接头的外立板厚度也减薄了10mm。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD265.3
【图文】：

图 1-4 优化初始状态 图 1-5 优化结果状态Figure 1-4 Optimizing the initial state Figure 1-5 Optimization Result status拓扑优化（Topology Optimization）:结构拓扑优化方法就是在一个确定的空间根据已经明确的约束条件，来解决材料分布的问题，以达到使输出应力、位达到规定要求或者结构刚度达到最大目标的一种优化设计方法。满宏亮[12]指止现在，进化法与退化法是两类常用方法。常用的退化法主要有：基结构方GSA），均匀化方法（HM），变密度法（Variable density method），变厚度Variable thickness method）。与此同时，针对进化法与退化法等各种算法所存缺陷，罗鹰等[13]指出采取混合策略不失为一种比较好的解决方案。截止目前拓扑优化在理论层面已经取得了很多成绩，但是在实践运用方面并没有得到的推广，研究人员在优化时也缺少相应的拓扑优化的案例来作为参考依据，想要在实际应用中运用拓扑优化这一方法，还有待相关的专家学者对这个问行进一步的探讨。另一个方面，如何将拓扑优化和形状设计合理地结合在一且集成到电脑辅助设计系统（CAD）中也是一个极具价值的研究方向，这还

图 1-4 优化初始状态 图 1-5 优化结果状态Figure 1-4 Optimizing the initial state Figure 1-5 Optimization Result status拓扑优化（Topology Optimization）:结构拓扑优化方法就是在一个确定的空间根据已经明确的约束条件，来解决材料分布的问题，以达到使输出应力、位达到规定要求或者结构刚度达到最大目标的一种优化设计方法。满宏亮[12]指止现在，进化法与退化法是两类常用方法。常用的退化法主要有：基结构方GSA），均匀化方法（HM），变密度法（Variable density method），变厚度Variable thickness method）。与此同时，针对进化法与退化法等各种算法所存缺陷，罗鹰等[13]指出采取混合策略不失为一种比较好的解决方案。截止目前拓扑优化在理论层面已经取得了很多成绩，但是在实践运用方面并没有得到的推广，研究人员在优化时也缺少相应的拓扑优化的案例来作为参考依据，想要在实际应用中运用拓扑优化这一方法，还有待相关的专家学者对这个问行进一步的探讨。另一个方面，如何将拓扑优化和形状设计合理地结合在一且集成到电脑辅助设计系统（CAD）中也是一个极具价值的研究方向，这还

以是人们常用的两种方法。零阶优化理采用零阶优化算法能够解决大部分的问高。而一阶优化理论则是以目标函数对，优化的结果也更为精确，所以它也更用一阶优化算法也由着耗时较长和会陷个较为合理的优化过程是需要将零阶优，首先，通过零阶优化算法大致确定最对最优解的位置进行进一步的定位，以包含三大变量：设计变量（DV）、状加清晰地说明 ANSYS 优化中的三大）和目标函数（OBJ），下面以一个

【参考文献】

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本文编号：2764503