(19)中华 人民共和国 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 202111491897.9 (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 沈阳工业大 学 地址 110870 辽宁省沈阳市经济技 术开发 区沈辽西路1 11号 (72)发明人 陈圣　林莘　崔兆轩　徐建源　 庚振新　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 代理人 李梁 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) H02B 13/035(2006.01) F16M 11/22(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于拓扑优化的GIS支架设计方法及 GIS支架 (57)摘要 本发明提供一种基于拓扑优化的GIS支架设 计方法及GIS支架， 涉及高压输电技术领域。 该方 法首先建立GIS支架初始结构模型， 将结构模型 导入有限元分析软件中， 建立拓扑优化密度模 型， 模拟特殊工况下的载荷设置边界条件， 将优 化区域中的每个网格单元密度作为优化变量， 以 刚度最大及体积最小作为优化目标， 利用有限元 分析方法及拓扑优化算法， 优化得到满足要求且 体积更小的结构， 最后根据实际工艺要求进一步 设计得到钢架作为主体的GIS支架结构。 最终设 计的GIS支架包括四个主支撑梁， 固定横 梁， 支撑 腹杆， 支撑筋， 加强板以及设备底座； GIS支架结 构的主支撑结构采用一种截面田字型的新型钢 梁结构， 与传统工字梁和角钢相比刚度更强， 具 有更高的抗震性。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 114169202 A 2022.03.11 CN 114169202 A 1.一种基于 拓扑优化的GIS支 架设计方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤1、 采用三维CAD软件建立GIS支架的初始结构模型； 所述GIS支架的初始结构包括 四个主支撑梁， 采用工字梁将四个主支撑梁的顶部连接在一起构成固定横梁， 使支架整体 形成稳固的柱体结构； 步骤2、 将GIS支架的初始结构模型导入有限元分析软件中， 对GIS支架的初始结构进行 网格剖分， 建立GIS支架的有限元分析模型， 并指定材料域， 划分后的每个网格单元作为密 度可变的最小单位； 步骤3、 模拟特殊工况下的载荷， 设置GIS支架的有限元分析模型边界条件， 将GIS支架 的初始结构中除了四个主支撑梁之外的其他相 邻两个主支撑梁之 间的部分作为优化区域， 并将优化区域中的每个网格单元密度作为优化变量， 以刚度最大及体积最小作为优化目 标， 利用有限元分析 方法及拓扑优化 算法展开计算， 得到优化的GIS支 架结构模型； 步骤4、 根据实际工艺要求进一 步设计得到钢架作为主体的GIS支 架结构。 2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的GIS支架设计方法， 其特征在于： 所述步骤3的 具体方法为： 以优化区域材料密度为拓扑设计变量， 该种设计变量视为解变量， 使用形状函数内插 于GIS支架的有限元网格上， 使得每个网格单元都有一个设计变量， 称为控制变量场， 将结 构拓扑优化问题转换为材 料的最优分布问题； 基于拓扑优化变密度法中的SIMP理论， 与GIS支架的有限元分析模型结合， 构建GIS支 架的优化数 学模型， 如下公式所示： 其中， C(x)是GIS支架结构柔度， xi是第i个网格 单元的设计变量， N为网格 单元总数， F是 GIS支架的载荷矩阵， U是GIS支架的位移矩阵， ui是第i个网格单元的位移矩阵， K是GIS支架 的刚度矩阵， k0是网格单元刚度矩阵， V(x)是GIS支架结构有效体积， V0是在设计变量为1时 的GIS支架结构有效体积， f是体积系数， Xmax是网格单元设计上限， Xmin是网格单元设计下 限， p为惩罚因子 。 3.一种GIS支架， 基于权利要求1所述设计方法得到， 其特征在于： 包括四个主支撑梁， 固定横梁， 支撑腹杆， 支撑筋， 加强板以及设备底座； 其中， 四个主支撑梁底部与地基相连， 作为GIS支架装置整体结构的固定约束； 采用工字梁将四个主支撑梁的顶部连接在一起构 成固定横梁， 使支架整体形成稳固的柱体结构； 支撑腹杆采用交叉型角钢， 角钢的四端分别 焊接在主支撑梁的内侧， 在四个主支撑梁构成的柱体结构四面分别焊接支撑腹杆； 支撑腹 杆下半部分焊接加强板， 对支撑腹杆起到加强稳固的作用； 在固定横梁与主支撑梁构成的 夹角处设置支撑筋， 用来稳固固定横梁与主支撑梁的连接处； 固定横梁顶部焊接有两设备 底座， 底座上设置有螺 栓孔。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114169202 A 24.根据权利要求3所述的一种GIS支架， 其特征在于： 所述四个主支撑梁采用一种 “田” 字型截面梁结构。 5.根据权利要求3所述的一种GIS支架， 其特征在于： 所述支撑腹杆下半部分焊接的加 强板为轮廓为 等腰三角形的实心钢板 。 6.根据权利要求3所述的一种GIS支架， 其特征在于： 所述主支撑梁、 固定横梁、 支撑腹 杆、 支撑筋、 加强板以及设备底座的表面均涂覆防腐蚀层。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114169202 A 3