大型矿井提升机担负着矿井内的提升、下降等运输任务,是矿产业中最常用的设备,而天轮在大型矿井提升机中担负着支撑与引导钢丝绳的作用,是主要的受力承载体之一。随着我国对矿产资源的需求量日益增长,对大型矿井提升机各方面都有了更高的要求。传统设计方法过于考虑安全系数,导致天轮的质量在不断增加,这也就带来了成本增加、效率降低和安全隐患增加等一系列问题,因此对天轮进行轻量化设计有着极其重要的意义。本文以大型矿井提升机的天轮为研究对象,采用有限元法对天轮进行有限元分析,得到正常工况下天轮的等效应力幅值及分布情况,并进行了相关实验验证,表明有限元分析结果具有良好的准确性。根据有限元分析,决定通过改进轮辐上工艺孔结构来实现天轮的轻量化设计,因此采用拓扑优化方法确定了工艺孔改进后的大致结构,并选择合适的八个结构参数作为设计变量,以及选择天轮质量、45°和0°等效应力幅值作为输出变量;然后采用最优拉丁超立方抽样在设计变量的可行域内进行试验设计,抽取170个初始样本点;再然后建立天轮的参数化模型,得到一组完整样本点;最后建立三个输出变量的RBF代理模型,三者R2皆大于0.90。采用Sobol方法进行敏感性分析,发现设计变量x3和x7对天轮质量影响最大,x3对45°等效应力幅值影响最大,x7对0°等效应力幅值影响最大。采用ASA优化算法,以已建立的三个RBF代理模型为基础,结合优化问题模型,寻找最优解;然后根据所寻找到的最优解,建立优化后的天轮三维模型并进行有限元分析,得到优化后的天轮等效应力幅值为50.99MPa,小于优化前,符合约束条件,而等效应力分布较优化前,轮辐得到更加充分的利用。对比优化前后天轮的质量和等效应力幅值,结果显示,优化后的天轮较优化前,质量减少了 5.82%,等效应力幅值减小0.41%,证明轻量化设计效果显著。