1.本发明结构优化设计方法技术领域，具体来说，涉及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。
背景技术：
2.可控震源作为一种非爆炸震源，具有高效、安全以及环保等特性，成为了油气资源勘探的主要装备。而可控震源振动器工字钢平板是传递地震信号的关键，但是可控震源在勘探作业中，出现了振动能量下传率较低，激发信号有一定的畸变等问题，迫切需要开展平板结构优化设计，以期得到一种传递信号质量好，能量传递率高的平板结构。
3.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
4.针对相关技术中的问题，本发明提出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，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
5.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
6.一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，包括工字钢平板本体，所述平板结构包括边缘翼板、次边缘翼板、过渡翼板和中部翼板，其中边缘翼板、次边缘翼板和过渡翼板分布在平板左右两侧，数量均为两块，中部翼板排布在平板中心区域，数量为五块，两翼板之间通过焊接方式连接，包括如下步骤：
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.进一步地，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，在根据工况定义载荷边界条件。
12.更进一步地，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。
13.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。
14.进一步地，在步骤s3中，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。
15.更进一步地，在步骤s3中，采用的是simp模型的变密度方法，可控震源振动器工字钢平板结构刚度最大化的数学模型为：
16.find x＝[x1,x2,
…
,xi]
t
,xi∈rn[0017][0018]
s.t.g(x)＝v-v0≤0
[0019][0020]
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)为约束条件，v为结构的体积，x
il
和x
iu
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度矩阵。
[0021]
进一步地，p为惩罚因子，对于simp方法来说，一般取值为3。
[0022]
在获得可控震源振动器工字钢平板的拓扑优化形状后；考虑平板的主要承载区域，对模型进行结构改进及工艺性处理，根据有限元分析验证所设计模型是否满足设计要求，当不满足时，重新进行结构设计。
[0023]
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案。使用拓扑优化方法对可控震源振动器工字钢平板部分进行结构优化，步骤包括：建立可控震源振动器的有限元模型，根据可控震源振动器的工况，施加载荷及约束条件，对有限元模型进行静力学分析，根据静力学分析结果及平板所要达到的目标，设置拓扑优化参数并进行分析求解，获得可控震源振动器工字钢平板的拓扑优化形状；考虑平板的主要承载区域，对模型进行结构改进及工艺性处理，根据有限元分析验证所设计模型是否满足设计要求，当不满足时，重新进行结构设计。
[0024]
经过对拓扑优化形状进行工艺性处理及有限元分析验证，设置出一种八边形工字钢平板结构，包括边缘翼板、次边缘翼板、过渡翼板和中部翼板。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0026]
1、降低了平板的质量，增加了振动器能量下传率。
[0027]
2、增加了平板的刚度，减少了平板工作时的变形量。
[0028]
3、增加了结构的可靠性，提升了平板与大地的耦合能力，改善了平板与大地间的接触力分布均匀性。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是本发明基于拓扑优化方法设计可控震源振动器工字钢平板流程图；
[0031]
图2是本发明提供的可控震源振动器工字钢平板优化前有限元结构示意图；
[0032]
图3是本发明可控震源振动器工字钢平板拓扑优化结构示意图；
[0033]
图4是本发明可控震源振动器工字钢平板进一步改进后结构示意图；
[0034]
图5是本发明可控震源振动器工字钢平板的主视图；
[0035]
图6是本发明可控震源振动器工字钢平板的俯视图。
[0036]
图中：
[0037]
1、边缘翼板；2、次边缘翼板；3、过渡翼板；4、中部翼板。
具体实施方式
[0038]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0039]
在本实施例中，公开了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，利用了有限元分析软件，包括如下步骤：
[0040]
s1：根据可控震源振动器的结构和工作特点，建立可控震源振动器的有限元模型，具体包括如下子步骤：
[0041]
s11：根据现有可控震源振动器结构，同时对现有可控震源振动器局部结构进行简化，通过solidworks三维建模软件建立可控震源振动器的三维模型，如图2所示，包括底板、立柱、活塞杆、底座、平板、水泥道路和大地。
[0042]
s12：将建立好的几何模型输出为x_t文件，导入到有限元分析软件中建立有限元模型。
[0043]
s13：在软件中定义材料属性，所用到的材料如下表所示，
[0044]
部件材料名称密度/kg
·
m-3
杨氏模量/gpa泊松比平板以上结构45钢78902090.269平板16mn78502120.310水泥道路混凝土2600300.26大地砂岩260019.30.38
[0045]
s14：定义接触类型：振动器在实际工作过程中，振动器平板底面与水泥道路之间可能会发生脱耦现象，且水泥道路与大地之间可能发生局部翘曲现象，所以平板与水泥道路、水泥道路与大地选择接触方式为rough，即在法线方向可以分开，切线方向不发生相对滑动；其他部件选择接触方式为bonded，即完全固定。
[0046]
s15：定义边界条件：边界条件分为约束边界条件和载荷边界条件。
[0047]
约束边界条件：大地的底面和四个侧面都设置为固定约束
[0048]
载荷边界条件：振动器的载荷具体可分为两种，一种是可控震源车与重锤施加的静载荷，另一种是液压油施加的动载荷。
[0049]
具体地，静载荷：车身压重190kn作用于平板左右两侧的6个空气弹簧上，重锤压重27.5kn通过2个重力补偿气囊平均作用于振动器平板上下两侧。
[0050]
动载荷：活塞杆凸台上下两个端面处受到动态液压力，符合线性扫描信号的变化规律，其信号频率为50hz，采用70％互作用力信号，峰值大小为154kn。
[0051]
s2：对可控震源振动器进行拓扑优化：在有限元分析软件中进行拓扑分析，首先基于s15所定义边界条件进行静力结构分析，再根据静力结构分析的结果进行拓扑优化。
[0052]
在本实施例中，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。拓扑优化结果以单元的伪密度显示，单元密度高则应保留此单元，单元密度低则可去除此单元，保留和去除根据所需的体积减少量确定，在本实施例中，体积减少量设定为30％。具体地，包括如下子步骤：
[0053]
s21：将大地的底面和四个侧面都设置为固定，给平板上方气囊施加静载荷，给活塞杆上下端面施加动载荷，并进行静力结构分析。
[0054]
s22：选择优化区域。
[0055]
在本实施例中，定义优化区域为可控震源振动器工字钢平板，非优化区域为其余各个部件。在平板结构的模型上选择优化空间，并将优化空间离散成有限个单元，设置要优化分析区域的材料单元类型号编号为1，不优化区域的单元为其他编号。
[0056]
s23：设定目标函数：
[0057]
目标函数：
[0058]
find x＝[x1,x2,
…
,xi]
t
,xi∈rn[0059][0060]
约束条件：
[0061]
s.t.g(x)＝v-v0≤0
[0062][0063]
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)为约束条件，v为结构的体积，x
il
和x
iu
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度矩阵。
[0064]
进一步地，p为惩罚因子，对于simp方法来说，一般取值为3。
[0065]
s24：执行迭代优化运算：优化结果如图3所示。
[0066]
s25：可控震源振动器工字钢平板拓扑优化结构不规则，会使得加工过程变得复杂，工艺性差，考虑到平板加工的工艺性，需要对可控震源振动器工字钢平板拓扑优化结构进行工艺性处理；分析图3中拓扑优化结果，发现材料去除部分主要发生在平板的四个边角处，平板的整体面积减少，另外平板激振时四个角缺少压重，其变形幅度较大，不便于可控震源输出高质量信号，考虑将工字钢平板的四个边角材料去除，得到八边形工字钢平板结构。
[0067]
s26：目前大多数可控震源主要使用的是16号工字钢进行制造，但16号工字钢所制造的平板刚度相比较小，所述可控震源振动器工字钢平板采用20a工字钢替代16号工字钢以提高平板刚度。
[0068]
s3：利用有限元分析对新设计的平板结构进行激振性能的对比分析。
[0069]
将优化前后的模型，分别进行有限元动力学仿真，并对比其能量下传率、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，判断是否符合优化的目的。如果是，则完成优化；如果否，则对结构进行重新设计。
[0070]
其中能量下传率、互作用力振幅和地表接触中心位移振幅越大越好，脱耦面积占比越小越好。
[0071]
本实施例优化前后结果对比如下表所示：
[0072][0073]
相较于拓扑优化前的平板结构，优化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。
[0074]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。