(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210992040.3 (22)申请日 2022.08.17 (71)申请人 山西平阳煤 机装备有限责任公司 地址 043000 山西省临汾市侯马市红军街1 号 (72)发明人 李璟　赵红梅　李淑琴　张迪　 王翀　霍玉婷　 (74)专利代理 机构 太原高欣科创专利代理事务 所(普通合伙) 14109 专利代理师 崔浩　王昆鹏 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方 法 (57)摘要 本发明一种基于数字孪生的矿山液压支架 设计方法， 属于矿山液压支架设计技术领域； 所 要解决的技术问题为： 提供一种基于数字孪生的 矿山液压支架设计方法的改进； 解决该技术问题 采用的技术方案为： 使用SolidWorks或NX软件建 立数字化模 型， 该模型包含驱动骨架图和装配组 体， 使用相应软件简化模型， 建立仿真模型并划 分网格， 设置仿真工况和边界条件， 采用有限元 分析方法进行仿真， 通过液压支架试验台采集数 据， 根据神经网络算法处理数据对比仿真结果， 拓扑优化网格划分和边界条件， 降低仿真误差； 使用数字化样机和拓扑优化， 使用系统利用数据 融合、 深度学习和数据孪生的交互映射， 将孪生 数据同步映射到数字化样机， 形成数字孪生模 型， 本发明应用于矿山液压支 架设计。 权利要求书1页 说明书7页 附图5页 CN 115455754 A 2022.12.09 CN 115455754 A 1.一种基于建立数字孪生模型的矿山液压支架设计方法， 其特征在于： 包括如下设计 步骤： 步骤S10： 使用SolidWorks或NX软件建立数字化模型， 该模型包含驱动骨架图和装配组 体， 所述数字化模型 具体的建立 步骤为： 步骤S101： 通过 液压支架的总体设计建立用于驱动部件的参数骨架； 步骤S102： 根据参数骨架和设计规范完成液压支 架零部件的详细设计； 步骤S103： 部件参数骨架通过铰接轴和千斤顶完 善总体骨架设计； 步骤S104： 通过总体骨架设计完成数字化样机的总体装配， 驱动总体骨架调节支架的 运动趋势和姿态变化； 步骤S105： 通过运动仿真验证不同工况 下的产品结构， 完 善数字化样机模型； 步骤S20： 使用SolidWorks或NX软件简化模型， 建立仿真模型， 使用HyperWorks或NX软 件划分网格， 使用ABAQUS和NX  Nastran软件设置仿真工况和边界条件， 采用有限元分析方 法进行仿 真， 通过液压支架试验台采集数据， 根据神经网络算法处理数据对比仿 真结果， 拓 扑优化网格划分和边界条件， 降低仿真误差； 所述拓扑优化具体的操作步骤为： 步骤S201： 使用SolidWorks或NX软件去除与仿真无关的部件和零件， 简化数字化样机 模型， 建立仿真模型并设置零部件之间的连接关系； 步骤S202： 使用HyperWorks或NX软件对步骤S201中的仿真模型设置材料及其参数， 采 用二阶四面体单元和一阶六面体单元对结构件进 行划分进 行网格划分， 得到液压支架的有 限元模型； 步骤S203： 根据液压支架主体结构件强度试验要求， 使用ABAQUS和NX  Nastran软件设 置全部工况， 调整相应的垫块尺寸， 采用内加载的方式模拟立柱、 设置载荷大小、 设置摩擦 接触， 然后对分析 结果进行应力和位移云图的展示和分析； 步骤S204： 根据液压支架主体结构件强度试验要求， 针对各工况和疲劳试验要求的组 合加载， 每次设置8个应力检测点， 每个检测点均用高精度电阻式应变片测量应变量， 将高 精度电阻式应变片的导线连接到控制台接线箱， 采集液压支架试验过程中的应变数据， 使 用LSTM数据预 处理算法和BP神经网络处理数据， 然后将处理后的数据与应力和位移云图对 比， 调整步骤S202和S203中网格的划分和边界条件， 使仿 真模拟趋近与真实试验 结果， 降低 仿真误差； 步骤S205： 结合有限元分析进行拓扑优化； 步骤S30： 使用数字化样机和拓扑优化， 通过PDM系统， 利用数据融合、 深度学习和数据 孪生的交 互映射， 将孪生数据同步映射到数字化样机， 形成数字 孪生模型， 具体步骤为： 步骤S301： 根据步骤S20中有限元分析的结果， 结合有限元分析的拓扑优化， 通过步骤 S10中建立的数字化模型优化支 架设计， 建立动态反馈； 步骤S302： 孪生数据同步映射包含物理模型的一切相关数据信息， 包括液压支架仿真 模型的边界条件和数据， 同时通过PDM系统实时更新数据、 调整参数优化数字化模型， 实现 模型的迭代优化， 进 而优化设计方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115455754 A 2一种基于数字孪生的矿山液压支架 设计方法 技术领域 [0001]本发明一种基于数字孪生的矿山液压支架设计方法， 属于矿山液压支架设计技术 领域。 背景技术 [0002]数字孪生技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的关键技术， 通过掌握产品信息 及其生命周期过程的数字思路将所有阶段(产品创意、 设计、 制造规划、 生产和使用)衔接起 来， 并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。 数字孪生作为人类解构、 描述、 认识物理世界的新一代信息技术， 直接面向人工智能国家战略中解决先进制造、 能源 工业等任务需求， 是当今计算机仿真和图像处理领域中一个非常活跃 的研究方向， 已经成 为全球信息技术发展的新焦点， 其成果直接应用于航天航空、 先进制 造、 能源开采、 智慧城 市、 视频监控、 人机交 互等领域。 [0003]液压支架是煤矿开采的关键设备之一， 其可靠性和安全性直接影响着生产的正常 进行， 目前液压支架的强度校核多根据国标通用技术条件规定的工况进 行试验来保证产品 的安全性， 由于相关规定的工况较多， 因而在设计液压支架实用结构的实验时间周期过长， 最终得到设计产品的可靠性也无法进行验证和保 障， 在高成本的产品设计投入中， 得到的 产品质量较差， 降低了产品的交付速度。 [0004]目前仍然没有基于数字孪生技术进行液压支架设计的方案， 如果该技术可以实 现， 则在液压支架设计开发阶段可采用有限元 的方法进行模拟和仿真， 并通过拓扑优化方 案解决试验周期带来的影响， 其仿真结果能够快速反馈到数字模型上， 以提高设计产品的 可靠性， 缩短 设计周期。 发明内容 [0005]本发明为了克服现有技术中存在的不足， 所要解决的技术问题为： 提供一种基于 数字孪生的矿山液压支 架设计方法的改进。 [0006]为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为： 一种基于建立数字孪生模型 的矿山液压支 架设计方法， 包括如下设计步骤： [0007]步骤S10： 使用SolidWorks或NX软件建立数字化模型， 该模型包含驱动骨架图和装 配组体， 所述数字化模型 具体的建立 步骤为： [0008]步骤S101： 通过 液压支架的总体设计建立用于驱动部件的参数骨架； [0009]步骤S102： 根据参数骨架和设计规范完成液压支 架零部件的详细设计； [0010]步骤S103： 部件参数骨架通过铰接轴和千斤顶完 善总体骨架设计； [0011]步骤S104： 通过总体骨架设计完成数字化样机的总体装配， 驱动总体骨架调节支 架的运动趋势和姿态变化； [0012]步骤S105： 通过运动仿真验证不同工况 下的产品结构， 完 善数字化样机模型； [0013]步骤S20： 使用SolidWorks或NX软件简化模型， 建立仿真模型， 使用HyperWorks或说　明　书 1/7 页 3 CN 115455754 A 3