活塞杆的设计方法、活塞杆及液压支架与流程

1.本发明涉及液压支架技术领域，具体涉及一种活塞杆的设计方法、活塞杆及液压支架。


背景技术：

2.推移千斤顶作为液压支架推移装置的重要动力元件，推移千斤顶将刮板运输机推向煤壁以及将液压支架向前移动，即完成“推溜”和“移架”动作。活塞杆作为推移千斤顶的关键部件，活塞杆在“推溜”动作时主要受到轴向拉力，在“移架”动作时主要受到轴向压力。相关技术中推移千斤顶中的活塞杆多采用实心活塞杆或空心活塞杆，但是实心活塞杆的结构尺寸较大，导致实心活塞杆的重量大，增加了运输的难度，空心活塞杆的行程较长，易出现强度不足，降低活塞杆的稳定性。
3.综上，相关技术中的活塞杆的性能还有待提高。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出了一种活塞杆的设计方法，可以提高活塞杆的性能。
5.本发明实施例还提出了一种活塞杆。
6.本发明实施例还提出了一种液压支架。
7.本发明实施例的活塞杆的设计方法，包括如下步骤：确定活塞杆的参数；根据所述活塞杆的参数构建所述活塞杆的外轮廓几何模型，划分外轮廓网格形成外轮廓有限元模型；根据所述活塞杆的参数构建所述活塞杆的内部骨架模型；重构所述活塞杆的外轮廓模型和内部骨架模型形成活塞杆模型；对所述活塞杆模型进行有限元分析校核后输出所述活塞杆模型。
8.本发明实施例的活塞杆的设计方法，可以提高活塞杆的性能。
9.在一些实施例中，根据所述活塞杆的参数构建所述活塞杆的内部骨架模型包括：对所述活塞杆外轮廓内表面进行随机取点，记为第一点群；对所述活塞杆的内部和两端内表面进行随机取点，记为第二点群和第三点群；对选择不同点群之间的点赋值第一概率，对选择同一点群内的点赋值第二概率，且所述第一概率大于所述第二概率；根据概率赋值随机选取两点，构建金属梁的模型。
10.在一些实施例中，根据概率赋值随机选取两点，构建金属梁包括：判断随机选取的两点之间的间距是否满足预设间距；若是，则构建金属梁的模型，否则，重新进行选点；判断已构建的多个所述金属梁的总体积是否满足预设体积，若是，则完成该所述金属梁模型的构建，否则，重新进行选点。
11.在一些实施例中，判断随机选取的两点之间的间距是否满足预设间距包括：设定随机选取的两点之间的间距为l；设定所述金属梁的最大长度为lmax，设定所述金属梁的最小长度为lmin；若lmin≤l≤lmax，则判定随机选取的两点之间的间距满足预设间距。
12.在一些实施例中，所述金属梁沿第一方向延伸的概率大于所述金属梁沿第二方向延伸的概率，且所述第一方向与所述第二方向正交布置。
13.在一些实施例中，对所述活塞杆模型进行有限元分析校核后输出所述活塞杆模型包括：对所述活塞杆模型施加载荷并添加约束，进行有限元分析；判断分析结果是否满足预设要求；若是，则输出所述活塞杆模型，否则，重新确定活塞杆的参数。
14.在一些实施例中，划分外轮廓网格形成外轮廓有限元模型包括：在所述活塞杆的外轮廓内表面随机取硬点，根据选取的单元类型划分外轮廓网格。
15.在一些实施例中，对所述活塞杆的参数进行确定，包括：确定所述活塞杆的外轮廓的参数；确定所述活塞杆的内部骨架参数。
16.本发明实施例的活塞杆，包括上述任一项所述的设计方法制造出的活塞杆。
17.本发明实施例的活塞杆，可以降低活塞杆的重量，提高活塞杆的性能。
18.本发明实施例的液压支架，包括上述所述的活塞杆。
19.本发明实施例的液压支架，可以提高液压支架的性能。
附图说明
20.图1是现有技术中骨头的结构示意图。
21.图2是本发明实施例的活塞杆的设计方法的流程示意图。
22.图3是本发明实施例的构建金属梁的流程示意图。
23.图4是本发明实施例的有限元分析模型的流程示意图。
24.图5是本发明实施例的活塞杆模型的示意图。
25.图6是本发明实施例的外轮廓模型的示意图。
26.图7是本发明实施例的内部骨架模型的示意图。
27.附图标记：骨头100，骨密质110，骨松质120，骨小梁1210，
28.外轮廓模型1，内部骨架模型2，金属梁21，空腔22，活塞杆模型3。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.如图1-图7所示，本发明实施例的活塞杆的设计方法，包括如下步骤：确定活塞杆的参数；根据活塞杆的参数构建活塞杆的外轮廓几何模型，划分外轮廓网格形成外轮廓有限元模型；根据活塞杆的参数构建活塞杆的内部骨架模型2；重构活塞杆的外轮廓模型1和内部骨架模型2形成活塞杆模型3；对活塞杆模型3进行有限元分析校核后输出活塞杆模型3。
31.具体地，本发明实施例根据活塞杆的实际使用要求对活塞杆的参数进行确定，并根据确定的活塞杆的外轮廓参数构建活塞杆的外轮廓模型1，根据内部骨架参数构建内部骨架模型2，并将构建好的外轮廓模型1和内部骨架模型2进行重构形成活塞杆模型3，
32.可选地，通过分别对活塞杆的外轮廓模型1和内部骨架模型2的构建，并将构建成功的外轮廓模型1和内部骨架模型2合并重合点进行重构，以降低活塞杆模型3的误差，进而提高活塞杆模型3的性能。
33.可以理解的是，通过对构建的活塞杆类型进行有限元分析计算，可以对活塞杆的性能进行校核，输出校核通过的活塞杆模型3，通过对活塞杆模型3的性能的分析校核，以提高根据活塞杆模型3制造出的活塞杆的性能。
34.在一些实施例中，根据活塞杆的参数构建活塞杆的内部骨架模型2包括：对活塞杆的外轮廓内表面进行随机取点，记为第一点群；对活塞杆的内部和两端内表面进行随机取点，记为第二点群和第三点群；对选择不同点群之间的点赋值第一概率，对选择同一点群内的点赋值第二概率，且第一概率大于第二概率；根据概率赋值随机选取两点，构建金属梁21的模型。
35.具体地，通过预先确定的活塞杆的参数对活塞杆的内部骨架模型2进行构建时，通过在活塞杆的外轮廓内表面、内部和两端内表面处进行随机取点记作不同的点群，通过对点群内和不同点群之间的点赋予不同的概率进行随机选取金属梁21的两个端点，再通过随机选取的两个端点构建金属梁21模型，多个金属梁21模型的构建以形成内部骨架模型2。
36.可以理解的是，多个金属梁21相互交错分割以形成多个彼此贯通的多孔空腔22，即内部骨架模型2呈现为网状多孔结构，如图1所示，本发明实施例通过将活塞杆的内部骨架模型2仿人体骨头100的结构进行构建，使内部骨架模型2与骨松质120的结构类似，骨松质120主要由大量的骨小梁1210相互交织构成，呈海绵状，骨小梁1210的总体排列方向与骨的受力方向基本一致，但长度和位置具有相当大的随机性。本实施例将随机选取金属梁21的端点以构建金属梁21模型，并将多个金属梁21的相互交织形成内部骨架模型2，以提高活塞杆的性能。
37.可以理解的是，由于活塞杆主要是轴向受力，所以大部分金属梁21的方向也应为轴向，通过对点群内和不同点群之间的点赋予不同的概率以实现大部分金属梁21为轴向设置，比如，第一概率取值90％，第二概率取值10％，即按90％的概率选择不同点群之间的随机两点作为金属梁21的端点，按10％的概率选择相同点群之间的随机两点作为金属梁21的端点构建金属梁21模型。
38.如图3所示，根据概率赋值随机选取两点，构建金属梁21包括：判断随机选取的两点之间的间距是否满足预设间距；若是，则构建金属梁21的模型，否则，重新进行选点；判断已构建的多个金属梁21的总体积是否满足预设体积，若是，则完成该金属梁21模型的构建，否则，重新进行选点。
39.具体地，根据预先确定的金属梁21的两端点之间的间距与随机选取的两点之间的间距进行比较，以使构建的金属梁21模型的长度均在此范围内，避免出现金属梁21的长度过长或过短的情况，并根据预先确定的金属梁21的直径建立金属梁21模型，进而提高金属梁21的结构性能。
40.可选地，根据预先确定的内部骨架模型2内金属梁21的总体积与已构建的多个金属梁21的总体积进行比较，以确保每增加一个金属梁21，之前构建的金属梁21的总体积加上最新构建的该金属梁21的体积之和小于等于预设体积，进而使多个金属梁21的总体积在预设体积内，确保内部骨架的网状多孔结构，进而提高内部骨架模型2的性能。
41.例如，预设体积比为10％。
42.在一些实施例中，判断随机选取的两点之间的间距是否满足预设间距包括：设定随机选取的两点之间的间距为l；设定金属梁21的最大长度为lmax，设定金属梁21的最小长
度为lmin；若lmin≤l≤lmax，则判定随机选取的两点之间的间距满足预设间距。
43.具体地，通过对金属梁21的最大长度与金属梁21的最小长度进行确定，避免金属梁21尺寸过长或过短的情况发生，金属梁21的最大长度与最小长度可以根据活塞杆的实际使用环境进行确定，还需要根据3d打印设备的加工能力进行确定。
44.例如，预设间距为金属梁的最大长度和最小长度，金属梁21的最大长度lmax取值为20mm，金属梁21的最小长度lmin取值为1mm。
45.在一些实施例中，金属梁21沿第一方向(如图7所示的上下方向)延伸的概率大于金属梁21沿第二方向(如图7所示的左右方向)延伸的概率，且第一方向与第二方向正交布置。
46.具体地，活塞杆模型3是仿骨设计，骨松质120中的骨小梁1210的总体排列方向与骨的受力方向基本一致，即呈现轴向分布，而长度和位置具有相当大的随机性，本实施例采取随机取点的方式满足金属梁21的长度和位置的随机性，并通过将金属梁21在上下方向分布的概率大于金属梁21在左右方向分布的概率，实现内部骨架模型2的仿骨松质120的设计，进而提高活塞杆的性能。
47.如图4所示，对活塞杆模型3进行有限元分析校核后输出活塞杆模型3包括：对活塞杆模型3施加载荷并添加约束，进行有限元分析；判断分析结果是否满足预设要求；若是，则输出活塞杆模型3，否则，重新确定活塞杆的参数。
48.具体地，通过建立活塞杆的有限元模型进行有限元分析计算，以对构建的活塞杆模型3的分析结果进行判断，若该活塞杆模型3的分析结果满足预设要求，则输出该活塞杆模型3。
49.例如，预设要求可以是活塞杆的强度和稳定性，即当活塞杆模型3的强度和稳定性均满足活塞杆的实际需求强度和稳定性，则输出该活塞杆模型3，将输出的活塞杆模型3进行3d打印，以获得仿骨构造的活塞杆。
50.在一些实施例中，划分外轮廓网格形成外轮廓有限元模型包括：在活塞杆的外轮廓内表面随机取硬点，根据选取的单元类型划分外轮廓网格。
51.具体地，根据活塞杆参数构建活塞杆外轮廓几何模型，同时在活塞杆外轮廓几何模型的内表面随机取硬点，采用solid187单元划分活塞杆外轮廓层网格形成外轮廓模型1。
52.例如，活塞杆外轮廓的内表面随机取硬点个数为4000个。
53.可以理解的是，本发明实施例的外轮廓模型1仿人体骨头100的设计，将外轮廓模型1仿骨密质110构建，骨密质110质地致密，抗压抗扭性强，本实施例通过将外轮廓模型1构建为密实金属结构，即将活塞杆外轮廓层设置为密实金属结构，以提高构建的活塞杆的性能。
54.本发明实施例通过将对活塞杆模型3仿骨设计，即将外轮廓模型1仿骨密质110设计，将外轮廓模型1构建为密实金属结构，将内部骨架模型2仿骨松质120的设计，由不同长度和位置的金属梁21随机构成，并结合活塞杆的受力方向使大部分金属梁21沿轴向分布，多个金属梁21交错布置形成内部网状多孔结构，再将外轮廓模型1包覆内部骨架模型2以形成活塞杆模型3，并对活塞杆模型3的性能进行有限元分析计算，将符合强度和稳定性要求的活塞杆模型3输出，通过输出模型制造出的活塞杆性能更优。
55.在一些实施例中，对活塞杆的参数进行确定，包括：确定活塞杆的外轮廓的参数；
确定活塞杆的内部骨架参数。
56.具体地，确定活塞杆的外轮廓参数包括活塞杆的杆长、内径、外径和外轮廓层内表面随机取硬点个数。确定活塞杆的内部骨架参数包括金属梁21的直径、长度、内部骨架模型2的随机取点的数量和金属梁21的体积百分比。
57.可以理解的是，活塞杆的外轮廓参数需根据活塞杆的实际使用要求进行确定，比如，设定活塞杆的杆长为100mm，内径为80mm，外径为100mm，外轮廓层内表面取硬点个数为4000个。
58.活塞杆的内部骨架参数可以根据3d打印设备的加工能力进行相应的调整，比如，金属梁21的直径为0.5mm，活塞杆内部随机取点的数量为4000个，活塞杆的两端内表面分别进行取点，取点个数均为1000个，金属梁21占内部骨架模型2的体积百分比为10％。
59.本发明实施例的活塞杆，包括由上述任一项的设计方法制造出的活塞杆。
60.本发明实施例通过将活塞杆进行仿骨设计，由于骨头100具有重量轻、强度高和耐冲击的特点，本发明实施例通过将活塞杆进行仿骨设计，并通过3d打印技术将构建的活塞杆模型3变成实体，以提高活塞杆的结构性能。
61.可选地，由于活塞杆包括外轮廓模型1和内部骨架模型2，相比相关技术中的实心活塞杆，本实施例的活塞杆的重量更轻，便于运输，相比相关技术中的空心活塞杆的行程大，易出现强度不足和稳定性差的问题，本实施例通过将活塞杆内部设置为相互交错的金属梁21，多个相互交错的金属梁21的设计可以提高活塞杆的强度和稳定性，本发明实施例通过外轮廓模型1和内部骨架模型2构建的活塞杆模型3制造出的活塞杆，可以在确保活塞杆的强度和稳定性的基础上，降低活塞杆的重量，节约材料的同时保证了性能。
62.本发明实施例的液压支架，包括上述活塞杆。
63.本发明实施例的液压支架，由于采用了上述活塞杆，可以降低液压支架的重量，利于轻量化，而且提高了活塞杆的强度和稳定性，进而提升了液压支架的性能。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
66.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
68.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。