[发明专利]一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法

说明书

本发明公开了一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，属于矿用支护设备优化技术领域，包括以下步骤：根据需要成形的锚固托盘，确定锚固托盘拓扑结构的形式及尺寸；根据拓扑结构的形式及尺寸，结合拓扑结构的位置，构建三维宏观穹顶结构；采用四面体单元进行网格划分并与拓扑优化相结合得到具有任意几何形状的结构；在设定的约束条件下，通过拓扑优化得到最优密度分布；将点阵结构的结构参数与密度联系起来构建微点阵穹顶结构；构建三维模型进行CAE仿真，通过对比仿真得到的应力分布与拓扑优化得到的密度分布，验证最优变密度模型结构。

技术领域

本发明属于矿用支护设备优化技术领域，具体涉及一种具有高吸 能特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现 有技术。

锚杆支护是煤矿巷道主体支护形式，锚固托盘是锚杆支护系统中 的关键构件之一。锚固托盘作为锚杆支护系统中一个重要部位，其性 能直接影响到锚杆的支护效果。托盘的作用是把螺母锁紧力矩所产生 的推力传递给顶帮，产生初锚力，同时又将巷道顶帮的压力传递给锚 杆，产生工作阻力，共同加固围岩，阻止巷道顶帮的位移。在选择托盘时，一是要满足锚杆托盘与锚杆杆体在强度上的匹配，避免因为锚 杆托盘的强度不够而造成锚杆穿孔现象。二是要满足锚杆托盘与锚杆 杆体在支护结构上的匹配，避免因锚杆杆体与托盘在支护结构上的不 匹配而造成锚杆杆体及螺母受力不均，影响巷道的支护效果。

在非冲击地压巷道中，锚杆托板与围岩的相互作用以静态或准静 态为主，作用力变化幅度相对较小。而在冲击地压发生时，托板受力 显著不同，托板与围岩间的作用不仅受静载荷作用，还会受到冲击动 载荷的影响。杆支护系统受到冲击载荷作用时，冲击载荷造成围岩与 托板间作用力瞬间增加，造成托板接触区域围岩破裂、垮落，托板悬空失效。对于强度较高的围岩，托板出现过载弯折、撕裂，甚至造成 锚杆破断。因此，托板作为预应力锚杆支护系统中的核心构件，其力 学性能直接关系到锚杆支护在冲击地压巷道中的防冲效果。

随着能源需求的不断加大，煤矿已经逐步进入深部开采。然而深 部开采所面临的高地应力、高地温、高渗透压以及强烈的开采扰动， 给深部煤矿巷道的锚固带来了巨大的挑战。而研究一种高吸能拓扑结 构托盘是非常有必要的，不仅可以提供足够承载力，又能实现让压吸 能。而目前矿井使用的锚固托盘，包括平板形托盘、铸铁托盘、碟形托盘等，冲击载荷作用下易发生突然变形卸载或断裂的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有高吸能 特性的锚喷支护托盘的拓扑结构优化方法，该方法以微点阵穹顶结构 的吸能最大化为目标，对锚固托盘进行拓扑结构优化，使托盘在承受 冲击时不易发生破坏和变形。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种具有高吸能特性的锚喷支护托盘的 拓扑结构优化方法，包括以下步骤：

根据需要成形的锚固托盘，确定锚固托盘拓扑结构的形式及尺 寸；

根据拓扑结构的形式及尺寸，结合拓扑结构的位置，构建三维宏 观穹顶结构；

采用四面体单元进行网格划分并与拓扑优化相结合得到具有任 意几何形状的结构；在设定的约束条件下，通过拓扑优化得到最优密 度分布；

将点阵结构的结构参数与密度联系起来构建微点阵穹顶结构；

构建三维模型进行CAE仿真，通过对比仿真得到的应力分布与 拓扑优化得到的密度分布，验证最优变密度模型结构。

作为进一步的技术方案，锚固托盘为圆台式锚固托盘，拓扑结构 的形式为多孔微点阵穹顶结构。

作为进一步的技术方案，三维宏观穹顶结构由四分之一半球壳的 交叉重复排列形成。