基于有限元分析的保障舱结构的优化方法及装置

本公开涉及保障舱设计，尤其涉及一种基于有限元分析的保障舱结构的优化方法及装置。

背景技术：

1、保障舱置于隧道施工现场掌子面一级台阶附近，主要功能之一是为隧道施工面内幸存人员提供一个安全的避难空间，因此保障舱要有可靠的强度、刚度和密闭性。隧道工作面在发生冒顶、塌方等事故时，灾害环境是非常复杂的，在隧道挖掘过程中，其两侧及顶部的岩体存在一定深度的松动层，在对岩体进行一次加固后和二次加固前，由于各种原因，松动层的岩体有可能出现坍塌、下落。舱体的结构设计就应充分考虑灾变环境和避险人员的实际需求，对舱体结构承受的载荷进行分析，对可靠性和抗冲击性进行验证。

2、依据《隧道施工救生舱暂行技术条件》规定的救生舱强度要求和隧道内的实际条件，舱体结构设计应遵循以下原则：舱体应具有较高强度和一定的抗冲击能力；舱体尺寸设计应考虑隧道环境条件，方便隧道内布置及配合隧道施工的流程；舱体要具有良好的气密性，特别是门的密封性能要好。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于有限元分析分析获取保障舱最优设计参数的方法，采用该方法获取的保障舱刚度、强度和密封均未失效，且保障舱的重量最轻。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元分析的保障舱结构的优化方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤(1)、构建保障舱结构的第一有限元模型，所述保障舱包括具有收容空间的舱体、及安装于所述舱体的舱门和救生门，其中，所述舱体包括围成所述收容空间的顶面蒙皮和侧面蒙皮、及支撑所述顶面蒙皮的顶面加强筋和支撑所述侧面蒙皮的侧面加强筋，所述舱门和所述救生门均包括门扇和门框；

4、步骤(2)、在多个不同第一工况下，对所述第一限元模型进行多次仿真分析，获取与多个不同第一工况一一对应的多个仿真结果，每个仿真结果包括应力数据组和变形数据组，所述应力数据组包括与第一工况对应的最大应力值和应力云图，所述变形数据组包括与第一工况对应的最大变形值和变形云图；

5、步骤(3)、基于多个所述仿真结果，确定影响所述舱体结构安全的多个因素，多个所述因素包括顶面蒙皮的厚度、侧面蒙皮的厚度、顶面加强筋的厚度、侧面加强筋的厚度和加强筋的排布方式；

6、步骤(4)、以所述第一有限元模型为基础模型，以多个所述因素的因素水平为变量，构建多个不同的第二有限元模型，每个第二有限元模型与第一有限元模型中至少一个因素的因素水平不同；

7、步骤(5)、在所述多个不同第一工况下，对每个所述第二限元模型分别进行多次有限元模拟试验，获取与每个第一工况一一对应的多组模拟结果，每组模拟结果包括每个第二有限元模型在目标工况下对应的最大应力值和最大变形量，所述目标工况为所述多个不同第一工况中的任一工况；

8、步骤(6)、基于多组所述模拟结果和预设判断准则，获取参数优化模型。

9、在一种具体的实施方式中，所述预设判断准则为所述保障舱的刚度、强度和密封性能未失效的前提下且所述保障舱总质量最轻。

10、在一种具体的实施方式中，所述步骤(6)包括：

11、基于多组所述模拟结果，获取多个初筛的第二有限元模型，所述多个初筛的第二有限元模型的刚度和强度均未失效；

12、基于保障舱总质量最轻的规则，在所述多个初筛的第二有限元模型中确定目标有限元模型；

13、获取所述目标有限元模型的密封性能仿真结果；

14、在所述目标有限元模型的密封性能仿真结果为密封性能未失效的情况下，所述目标有限元模型为所述参数优化模型。

15、在一种具体的实施方式中，所述获取所述目标有限元模型的密封性能仿真结果的步骤包括：在多个不同第二工况下，对所述目标有限元模型的密封性能进行仿真分析，获取与每个第二工况对应的多个密封性能仿真结果，每个密封性能仿真结果包括舱门的密封数据组和救生门的密封数据组，所述舱门的密封数据组包括舱门对应的相对位移云图和舱门的最大相对位移，所述救生门的密封数据组包括救生门对应的相对位移云图和救生门的最大相对位移。

16、在一种具体的实施方式中，所述步骤(6)包括：

17、(a)基于多组所述模拟结果，获取多个初筛的第二有限元模型，所述多个初筛的第二有限元模型的舱体的刚度和强度均未失效；

18、(b)获取每个初筛的第二有限元模型的密封性能仿真结果，并基于密封失效评判准则确定多个二筛的第二有限元模型，每个二筛的第二有限元模型的密封性能未失效；

19、(c)基于所述保障舱总质量最轻的规则，在所述多个二筛的第二有限元模型中确定目标有限元模型，所述目标有限元模型为所述参数优化模型。

20、在一种具体的实施方式中，所述步骤(b)包括：

21、在多个不同第二工况下，对每个所述初筛的第二有限元模型的密封性能进行仿真分析，获取与每个第二工况一一对应的多个密封性能仿真结果，每个密封性能仿真结果包括每个初筛的第二有限元模型的舱门的密封数据组和救生门的密封数据组，所述舱门的密封数据组包括舱门对应的相对位移云图和舱门的最大相对位移，所述救生门的密封数据组包括救生门对应的相对位移云图和救生门的最大相对位移；

22、分别将每个所述初筛的第二有限元模型的所述舱门的最大相对位移和所述救生门的最大相对位移与预设的相对位移进行比较，得到多个比较结果组，所述预设的相对位移为密封失效的评判准则对应的临界值；

23、确定多个二筛的第二有限元模型，每个所述二筛的第二有限元模型对应的比较结果组为所述舱门的最大相对位和所述救生门的最大相对位移均小于所述预设的相对位移。

24、在一种具体的实施方式中，所述步骤(3)包括：

25、分别基于所述应力数据组中的应力云图和所述变形数据组中的变形云图，分析所述舱体的应力集中区域和所述舱体的变形较大区域；

26、基于所述舱体的应力集中区域和舱体变形较大区域，确定影响所述舱体结构安全的多个因素，多个所述因素包括顶面蒙皮的厚度、侧面蒙皮的厚度、顶面加强筋的厚度、侧面加强筋的厚度和加强筋的排布方式。

27、在一种具体的实施方式中，所述参数优化模型对应的设计参数包括：材料类型为q345、顶面蒙皮的厚度为8mm、侧面蒙皮的厚度为4mm、顶面加强筋的厚度为8mm、侧面加强筋的厚度为8mm、加强筋类型为t形钢、及加强筋排布为整体加筋。

28、在一种具体的实施方式中，所述多个不同第一工况包括三种静载工况和三种等效冲击工况，三种静载工况分别为顶部加0.5mpa、顶部加载0.5mpa与单侧面加载0.25mpa和顶部加载0.5mpa与两侧面加载0.25mpa；三种等效冲击工况分别为顶部前端0.34m2加载1.5mpa、顶部中部0.34m2加载1.5mpa和顶部后端0.34m2加载1.5mpa。

29、本发明还提供一种保障舱结构的优化装置，包括：

30、第一构建模块，用于构建保障舱结构的第一有限元模型，所述保障舱包括具有收容空间的舱体、及安装于所述舱体的舱门和救生门，其中，所述舱体包括围成所述收容空间的顶面蒙皮和侧面蒙皮、及支撑所述顶面蒙皮的顶面加强筋和支撑所述侧面蒙皮的侧面加强筋，所述舱门和所述救生门均包括门扇和门框；

31、第一获取模块，用于在多个不同第一工况下，对所述第一限元模型进行多次仿真分析，获取与多个不同第一工况一一对应的多个仿真结果，每个仿真结果包括应力数据组和变形数据组，所述应力数据组包括与第一工况对应的最大应力值和应力云图，所述变形数据组包括与第一工况对应的最大变形值和变形云图；

32、确定模块，用于基于多个所述仿真结果，确定影响所述舱体结构安全的多个因素，多个所述因素包括顶面蒙皮的厚度、侧面蒙皮的厚度、顶面加强筋的厚度、侧面加强筋的厚度和加强筋的排布方式；

33、第二构建模块，用于以所述第一有限元模型为基础模型，以多个所述因素的因素水平为变量，构建多个不同的第二有限元模型，每个第二有限元模型与第一有限元模型中至少一个因素的因素水平不同；

34、第二获取模块，用于在所述多个不同第一工况下，对每个所述第二限元模型分别进行多次有限元模拟试验，获取与每个第一工况一一对应的多组模拟结果，每组模拟结果包括每个第二有限元模型在目标工况下对应的最大应力值和最大变形量，所述目标工况为所述多个不同第一工况中的任一工况；

35、第三获取模块，用于基于多组所述模拟结果和预设判断准则，获取参数优化模型。

36、本发明的有益效果至少包括：

37、本发明提供的保障舱结构的优化方法包括：按初始设计参数构建第一限元模型；在多个不同第一工况下对第一限元模型进行仿真分析获取每个第一工况对应的应力云图和变形云图；通过分析应力云图和变形云图确定舱体的应力集中区域和所述舱体的变形较大区域；基于所述舱体的应力集中区域和舱体变形较大区域，确定影响所述舱体结构安全的多个因素；基于多个因素的因素水平值不同构建多个第二有限元模型进行仿真分析，最后基于多个第二有限元模型对应的模拟结果和预设判断准则，获取参数优化模型；采用该优化方法获取的参数优化模型在刚度、强度、密封性能未失效的前提下同时重量最轻，而保障舱轻量化设计具有方便移动、运输的优点，同时还减轻了地面承载要求，更适用于各种地形条件，应该场景更广。