【正文】 ..............................................................................................................................51 第一章 概述 1 第一章 概述 研究目的與意義 近年來，我國袋式除塵器有了長足的進步，主機、濾料、自動控制和應用技術的水平都有很大提高，使得袋式除塵器對于煙氣的高溫、高濕、高濃度、微細粉塵、吸濕性粉塵、易燃易爆粉塵等不利工況條件有了更強的適應性，在加強清灰、提高效率、降低消耗、減少故障、方便維 修方面達到一個新的高度。通過有限元分析軟件 ANSYS，對灰斗進行殼體建模，網格參數化，載荷及材料屬性參數化等以有限元分析結果為依據對灰斗進行優(yōu)化時，采用了基于整體對各個部件分步進行優(yōu)化的方法。 本學位論文屬于 不保密 □ 。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學 士 學 位 論 文 THESIS OF BACHELOR （ 2020— 2020 年） 題 目 基于 ANSYS 對袋式除塵器灰斗結構的設計與優(yōu)化 學 院： 系 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 副教授 起訖日期： 南 昌 大 學 學士學位論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 （請在以上相 應方框內打 “√” ） 作者簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 摘要 I 基于 ansys 對袋式除塵器灰斗結構的設計與優(yōu)化 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導教師： 摘要 袋式除塵器作為一種高效氣體除塵設備得到越來越廣泛的應用。優(yōu)化結果顯示， 灰斗總質量 與優(yōu)化前比，減少了 %，整體優(yōu)化效果明顯。但是，我國目前除塵器結構設計水平與國外最新發(fā)展水平相比，還存在相當的差距，尤其在本體結構設計方面，一些薄弱環(huán)節(jié)需要研究、改進和提高，問題主要表現(xiàn)在以下兩個方面。有相當一批除塵器產品的耗鋼量指標超過 90 kg/㎡ ，遠遠落后于國外先進水平。 節(jié)約用材和結構安全，是一對很難調和的矛盾。 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近半個世紀以來 ,我國的經濟高速發(fā)展 ,現(xiàn)代化工業(yè) ,尤其是重化工、原材料、能源等工業(yè)更是突飛猛進 ,但加快經濟發(fā)展的同時 ,工業(yè)生產所產生的粉塵、纖塵等不僅會破壞作業(yè)環(huán)境 ,還會污染大氣環(huán)境 ,危害人們的健康。 第一章 概述 2 ① 袋式除塵器主機 脈沖袋式除塵器大型化的趨勢明顯，性能達到國際先進水平。 袋式除塵器在適應高含塵濃度方面實現(xiàn)突破，能夠直接處理含塵濃度1400g/m3的氣體，比以往提高數十倍，并達標排放。 ② 袋式除塵器用濾料、濾袋 耐高溫濾料多樣化，除了諾梅克斯、美塔斯外， P84，萊登（ RrTUN）濾料的應用越來越多。在凈化180～ 280 ℃的煙氣時，人們有了更多的選擇余地?，F(xiàn)有三種實現(xiàn)表面過濾的途徑：在普通濾料表面復以聚四氟乙烯薄膜；復以具有大量微孔的涂層；以超細纖維在針刺氈表面形成超細面層。自控系統(tǒng)的功能更為齊全，對清灰進行程控，自動檢測除塵設備和第一章 概述 3 系統(tǒng) 的溫度、壓力、壓差、流量參數、超限報警；對清灰參數（周期持續(xù)時間等）進行顯示。這樣對袋式除塵器灰斗結構優(yōu)化改進，能有效地提高其設計技術水平。利用優(yōu)化結果對模型更新 ,再 進行分析證明了優(yōu)化結果的合理性和可靠性。 ② 利用有限元分析軟件 ANSYS 對大型袋式除塵器的灰斗結構進行分析。 第二章 袋式除塵器簡介 4 第二章 袋式除塵器簡介 袋式除塵器簡介 袋式除塵器是指利用纖維性濾袋捕集粉塵的除塵設備。含塵氣體通過濾袋的分離與過濾完成除塵過程。他的應用數量約占各類除塵器總量的 60%～ 70%。濾袋內側有支撐的骨架，防止濾袋癟塌，煙塵附著在濾袋的外層。 脈沖噴吹袋式除塵器具有多種形式，如逆噴、順噴、對噴、環(huán)隙噴吹等。由于以上的諸多優(yōu)點，脈沖噴吹袋式除塵器是目前國際上最普遍、最高效的濾袋除塵器。它的工作機理是粉塵通過濾布時產生的篩分、慣性、黏附、擴散和靜電等作用而被捕集。清灰后，由于在濾布表面以及內部還殘留一定量的粉塵，所以仍能保持較高的 除塵效率。氣速越高，穿破現(xiàn)象越嚴重。但纖維直徑細的壓力損失要比粗的纖維大，耐蝕性也越細越差。當粉塵和濾布所帶的電荷相反時，粉塵就被吸附在濾布上，從而提高除塵效率，但粉塵清除較難。一般靜電作用只有在粉塵粒徑小于 1 m? 以及過濾氣速很低時才顯示出來。積累到一定量，由灰斗底部排出。 圖 22 ② 除塵器的分類，主要是依據其結構特點，如濾袋形狀、過濾方向、進風口圖 21 袋式除塵器剖面圖 第二章 袋式除塵器簡介 7 位置以及清灰方式進行分類。由于圓袋的支撐骨架及連接較簡單，清灰容易，維護管理也比較方便，所以應用非常廣泛。 ： 按過濾方向分類，可分為內濾式除塵器和外濾式除塵器兩類。 （ 2）外濾式袋式除塵器。 ： 按進氣口位置分類，可分為下進風袋式除塵器和上進風袋式除塵器兩類。 （ 2）上進風袋式除塵器。正壓式除塵器，風機設置在除塵器之前。 脈沖袋式除塵器本體鋼結構組成 本文以單排單側風道式脈沖袋式除塵器為例來說明除塵器本體鋼結構的組成。灰斗收集被過濾下來的粉塵，到一定程度將粉塵由灰斗口排出 。含塵氣體經濾袋過濾后進入潔凈室，經提升閥箱體進入風道 。上箱體同時也相當于中箱體的上圈梁。 本文選取了袋式除塵器的典型結構灰斗進行分析研究。 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。用戶可以選擇坐標系統(tǒng)、單元類型、定義實常數和材料特性、建立實體模型并對其進行網格劃分、控制節(jié)點和單元、以及定義耦合和約束方程。 ANSYS 提供了廣泛的模型生成功能，從而使用戶可以快捷地建立實際工程系統(tǒng)的有限元模型。 ANSYS 系統(tǒng)的網格劃分功能十分強大，使用便捷。在求解階段，用戶可以定義分析類型、分析選項和載荷數據，然后開始有限元求解。對于接觸狀態(tài)可改變拓撲結構并影響波前寬度的非線性分析，以及模型為具有多個波前多分支結構做任何分析，該求解器都較為適用。由于后處理階段完全同前處理階段和求解階段集成在一起，故求解結果已存于數據庫且能立即查看。當數據從結果文件讀出后，數據存于 ANSYS 程序數據庫，使用交互方式可以很方便地進行數據庫操作并立即提供結果圖形和結果列表。 有限元分析 是利用數學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。 ② 單元特性分析 ： 由于單元小，形狀簡單，可以選擇簡單且單元類型相適應的函數即位移函數近似的表示每個單元上真實的位移分布。 ④ 整體矩陣方程求解 ： 引入約束條件，對結構的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點的位移，進而計算出節(jié)點的應力和應變。以下為參數化設計的幾種基本方法： 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 12 ① 代數法 ② 人工智能法。 本 論 文即采用該方法進行參數化建模。其實如果運用 APDL 建模，只要對命令流略做修改，重新讀入即可，極大地加快了研究分析的進程。 傳統(tǒng)的方法無論是分析還是設計都存在大量的簡化和經驗，準確性差。隨著對工程設計概念例如可靠性設計、模糊設計等不確定性的因素的認識，相應的 優(yōu)化模型也已提出，基于可靠性概念的優(yōu)化設計，結構模糊優(yōu)化；目標函數有單目標、多目標等；目前在航空航天領域考慮控制因素的結構優(yōu)化問題 。 ANSYS 的優(yōu)化設計功能使其在有限元分析軟件中獨領風騷，堪稱一絕。實際上，所有可以參數化的 ANSYS 選項都可以作優(yōu)化設計。 ANSYS中的設計變量、狀態(tài)變量和目標函數總稱優(yōu)化變量。狀態(tài)變量（ SVS）是約束設計的數值，它們是 “ 因變量 ” ，是設計變量的函數。它必須是設計變量的函數，也就是說，改變設計變量的數值將改變目標函數的數值。優(yōu)化設計 :根據給定的設計要求和現(xiàn)有的技術條件，應用專業(yè)理論和優(yōu)化方法，在計算機上從滿足給定的設計要求的許多可行方案中，按照給定的指標自動地選出 最優(yōu)的設計方案。確定出影響目標的獨立的設計參數 (稱設計變量 )例如，一個產品的零部件尺寸直接影響產品體積和外形，因此可將零部件的尺寸作為體積目標優(yōu)化的設計量。錐形灰斗卸灰口多為正方形，船型灰斗卸灰口為狹長矩形 （圖42） 。 兩種灰斗都屬于殼體結構。在卸灰前或者卸灰系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，積灰達到一定數量，積灰荷載為主要荷載。壁板面內拉力主要由壁板承擔。 灰斗 的殼體建模 分析 灰斗為一典型的殼體結構，理論上說，按殼體模型進行分析最能反映實際情況。隨著有限元軟件的不斷完善和計算機技術的不斷發(fā)展，目前采用有限單元法用板殼單元模擬結構的真實構形，對結構進行基于殼體理論的多工況分析己可以實現(xiàn)。 加強筋采用 BEAM188 模擬。 SHELL181 具備彎曲和膜的特性，能承受平面內和法線方向的荷載。在 SHELL181 中顯示了該單元的幾何，節(jié)點位置和單元坐標系。單元的 x 方向可以旋轉 THETA 角（角度）。當 KEYOPT(1)＝ 0（缺省）時，每個節(jié)點有六個自由度；節(jié)點坐標系的 x、 y、 z 方向的平動和繞 x、 y、 z 軸的轉動。 網格劃分 通過 ANSYS 直接建立的實體模型在經過網格 劃分后成為有限元模型，才能進行有限元分析。 自由網格劃分是自動化程度最高的網格劃分技術之一，它在面上（平面、曲面）可以自動生成三角形或四邊形網格，在體上自動生成四面體網格?；叶窔んw部分采用自由網格劃分并采用 SHELL181 單元，單元長度為 50mm。下部臺架結構支承點均按鉸接考慮。 施加灰斗載荷 ① 負壓作用 ： 灰斗的四個壁同時受負壓作用，取工藝提供值計算。偶然故障工況下，灰斗積灰荷載應根據觸發(fā)積灰超載應急程序時灰斗內可能產生的最大積灰量確定，如果沒有積灰超載應急程序，一般按積灰到灰斗進氣口一半高度時確定。積灰在灰斗內壁上，法向壓力標準值計算公式： )s in( c o s 22 ?? kPP vknk ?? （ 41） 切向壓力標準值計算公式： ??? c o ss in)1( kPP vkk ?? （ 42） 其中， SPvk ?? 是單位水平面上的豎向壓力標準值，取灰斗頂面與底面的平均值； )2/45(2 ??? otgk 為貯料側壓力系數； ? 是漏斗壁對水平面的夾角； S 是計算深度。認為灰斗內壁承受散粒的主動土壓力，法向壓力公式為： nn hkP ?? （ 47） 其中， ka 為主動土壓力系數。 具體計算方法： 第一種是均布負壓作用，直接施加在灰斗壁板法線方向 :不考慮灰斗自重?；叶飞享斆媾c下框架頂梁密封焊接，并且灰斗頂平面內有強支撐系統(tǒng)，因此模型分析時約束灰斗頂面四條邊的所有自由度。 在卸灰前或者卸灰系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，積灰達到一定數量，積灰荷載為主要荷載。 由于灰斗頂面兩個方向跨距不同，兩個方向灰斗壁板與水平方向夾角不同，因此兩個方向的壁板的漸變荷載要分別計算后施加。 加載程序 .txt 灰斗殼體模型的建立 與 分析 模型一 先建一個只有橫向加強筋的簡單模型 如圖 44，分析它的應力應變情況，根據強度要求改進結構。 圖 44 第四章 袋式除塵器灰斗結構分析 22 圖 45 圖 46 從應力應變云圖中可以看出，灰斗的變形非常大，最大應變?yōu)?，第四章 袋式除塵器灰斗結構分析 23 最大應力為 ，遠遠超出了材料的許用應力， 結構 需要改進。 模型三 頂面四周加扁鋼，扁鋼寬 120mm，扁鋼厚 12mm?；叶返慕Y構過于保守，有很大的優(yōu)化空間。 許用應力約束 : σ max≤ σ s/[n]