一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构及设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115755161A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202211395415.4(22)申请日2022.11.09(71)申请人四川吉赛特科技有限公司地址610000四川省成都市天府新区华阳街道滨河路一段77号(72)发明人张怀张庭豪席御僖何友才刘清陈文春(74)专利代理机构成都市熠图知识产权代理有限公司51290专利代理师邓昉(51)Int.Cl.G01V1/04(2006.01)G06F30/13(2020.01)G06F30/23(2020.01)权利要求书2页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构及设计方法(57)摘要本发明涉及结构优化设计方法领域的一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构设计方法，具体包括以下步骤：建立可控震源振动器工字钢平板结构分析模型，开展静力结构分析；根据静力结构分析结果和需要改进的目标，对平板结构进行拓扑优化分析；根据拓扑优化结果，对工字钢平板拓扑优化结构进行工艺性处理，设计出合适的结构；通过有限元动力学仿真，对比拓扑优化前后有限元模型的能量下传率、脱耦面积占比、互作用力均匀性、互作用力失真度、互作用力振幅、地表接触中心位移振幅，通过拓扑优化设计后的平板结构的能量下传率、互作用力振幅和地表接触中心位移振幅均有所提升，脱耦面积占比相较于原平板有所降低，符合优化设计的目的。CN115755161ACN115755161A权利要求书1/2页1.一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构，包括工字钢平板本体，其特征在于：所述工字钢平板本体包括边缘翼板(1)、次边缘翼板(2)、过渡翼板(3)、中部翼板(4)，所述边缘翼板(1)、次边缘翼板(2)和过渡翼板(3)分布在工字钢平板本体左右两侧，且边缘翼板(1)、次边缘翼板(2)和过渡翼板(3)的数量均为两块，所述中部翼板(4)排布在工字钢平板本体中心区域，且中部翼板(4)的数量设置为五块。2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构，其特征在于：所述边缘翼板(1)、次边缘翼板(2)、过渡翼板(3)、中部翼板(4)之间两两首尾相连，且边缘翼板(1)、次边缘翼板(2)、过渡翼板(3)、中部翼板(4)之间通过焊接的方式进行连接。3.根据权利要求1‑2任意一项所述的一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构设计方法，其特征在于：选定平板优化区域，使用拓扑优化方法对平板部分进行结构优化，包括如下步骤：S1：根据可控震源振动器的结构和工作特点，对模型进行简化，定义各零件的材料属性建立可控震源振动器的有限元模型。S2：根据可控震源振动器的工作原理，定义平板结构模型的边界条件，开展静力结构分析。S3：根据静力结构分析结果，采用变密度拓扑优化法，以体积减少量为约束条件，约束目标采用体积约束下的刚度最大化，即设定为柔度最小化来表示刚度最大化，选择平板结构为优化区域进行拓扑优化，根据拓扑优化结果，在主要承载区域保留材料，在平板的四个边角处去除材料，得到初步设计完成的平板结构。S4：通过有限元方法对拓扑优化前后平板结构的有限元模型进行激振性能分析对比，分析拓扑优化结果是否满足设计需求，满足则完成优化，不满足则重复执行步骤S2和S3。4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构设计方法，其特征在于：在步骤S2中，边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，边界条件的定义首先定义约束边界条件，即固定大地的底面和四个侧面，再根据分析可控震源振动器的工况，振动器的载荷具体分为两种，一种是可控震源车与重锤的静载荷，一种是液压油的动载荷。其静载荷来自于车身以及重锤的压重，动载荷为振动器活塞杆上下端面受到的动态液压力。5.根据权利要求3所述的一种基于拓扑优化的可控震源振动器工字钢平板结构设计方法，其特征在于：拓扑优化方法采用的是SIMP模型的变密度方法，以体积减少量为约束条件，以柔度最小化来表示刚度最大化，同时以柔度最小化为目标函数，即在体积减少的同时，保证结构的最大刚度。定义优化区域为可控震源振动器工字钢平板，其余区域设定为非优化区域。6.根据权利要求5所述SIMP模型的变密度方法，其特征在于，其结构柔度最小化的优化模型为：目标函数：TNfindX＝[x1,x2,…,xi],xi∈R2CN115755161A权利要求书2/2页约束条件：s.t.g(x)＝V‑V0≤0其中：X为设计变量，xi为第i个单元的伪密度，N为单元的数目，C(X)为目标函数，g(X)为LU约束条件，V为结构的体积，xi和xi分别为设计变量的下限和上限，U为结构的整体位移矩阵，K为结构的整体刚度矩阵，ui和ki为单元i的单元位移矢量和单元刚