【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(jìn)步，主機、濾料、自動控制和應(yīng)用技術(shù)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(xì)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(yīng)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(dá)到一個新的高度。通過有限元分析軟件 ANSYS，對灰斗進(jìn)行殼體建模，網(wǎng)格參數(shù)化，載荷及材料屬性參數(shù)化等以有限元分析結(jié)果為依據(jù)對灰斗進(jìn)行優(yōu)化時，采用了基于整體對各個部件分步進(jìn)行優(yōu)化的方法。 本學(xué)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(dān)。 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR （ 2020— 2020 年） 題 目 基于 ANSYS 對袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化 學(xué) 院： 系 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授 起訖日期： 南 昌 大 學(xué) 學(xué)士學(xué)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(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 （請在以上相 應(yīng)方框內(nèi)打 “√” ） 作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 摘要 I 基于 ansys 對袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 摘要 袋式除塵器作為一種高效氣體除塵設(shè)備得到越來越廣泛的應(yīng)用。優(yōu)化結(jié)果顯示， 灰斗總質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計水平與國外最新發(fā)展水平相比，還存在相當(dāng)?shù)牟罹?，尤其在本體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，一些薄弱環(huán)節(jié)需要研究、改進(jìn)和提高，問題主要表現(xiàn)在以下兩個方面。有相當(dāng)一批除塵器產(chǎn)品的耗鋼量指標(biāo)超過 90 kg/㎡ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外先進(jìn)水平。 節(jié)約用材和結(jié)構(gòu)安全，是一對很難調(diào)和的矛盾。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近半個世紀(jì)以來 ,我國的經(jīng)濟(jì)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(jìn) ,但加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時 ,工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)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(dá)到國際先進(jìn)水平。 袋式除塵器在適應(yīng)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(shù)十倍，并達(dá)標(biāo)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(yīng)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(fù)以聚四氟乙烯薄膜；復(fù)以具有大量微孔的涂層；以超細(xì)纖維在針刺氈表面形成超細(xì)面層。自控系統(tǒng)的功能更為齊全，對清灰進(jìn)行程控，自動檢測除塵設(shè)備和第一章 概述 3 系統(tǒng) 的溫度、壓力、壓差、流量參數(shù)、超限報警；對清灰參數(shù)（周期持續(xù)時間等）進(jìn)行顯示。這樣對袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，能有效地提高其設(shè)計技術(shù)水平。利用優(yōu)化結(jié)果對模型更新 ,再 進(jìn)行分析證明了優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)備。含塵氣體通過濾袋的分離與過濾完成除塵過程。他的應(yīng)用數(shù)量約占各類除塵器總量的 60%～ 70%。濾袋內(nèi)側(cè)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(chǎn)生的篩分、慣性、黏附、擴(kuò)散和靜電等作用而被捕集。清灰后，由于在濾布表面以及內(nèi)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(yán)重。但纖維直徑細(xì)的壓力損失要比粗的纖維大，耐蝕性也越細(xì)越差。當(dāng)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(jù)其結(jié)構(gòu)特點，如濾袋形狀、過濾方向、進(jìn)風(fēng)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(jìn)行分類。由于圓袋的支撐骨架及連接較簡單，清灰容易，維護(hù)管理也比較方便，所以應(yīng)用非常廣泛。 ： 按過濾方向分類，可分為內(nèi)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(jìn)氣口位置分類，可分為下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器和上進(jìn)風(fēng)袋式除塵器兩類。 （ 2）上進(jìn)風(fēng)袋式除塵器。正壓式除塵器，風(fēng)機設(shè)置在除塵器之前。 脈沖袋式除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)組成 本文以單排單側(cè)風(fēng)道式脈沖袋式除塵器為例來說明除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)的組成?；叶肥占贿^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(jīng)濾袋過濾后進(jìn)入潔凈室，經(jīng)提升閥箱體進(jìn)入風(fēng)道 。上箱體同時也相當(dāng)于中箱體的上圈梁。 本文選取了袋式除塵器的典型結(jié)構(gòu)灰斗進(jìn)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(jié)構(gòu)和材料。用戶可以選擇坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類型、定義實常數(shù)和材料特性、建立實體模型并對其進(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)，然后開始有限元求解。對于接觸狀態(tài)可改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果已存于數(shù)據(jù)庫且能立即查看。當(dāng)數(shù)據(jù)從結(jié)果文件讀出后，數(shù)據(jù)存于 ANSYS 程序數(shù)據(jù)庫，使用交互方式可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作并立即提供結(jié)果圖形和結(jié)果列表。 有限元分析 是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)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(yīng)的函數(shù)即位移函數(shù)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(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點的位移，進(jìn)而計算出節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變。以下為參數(shù)化設(shè)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(shù)法 ② 人工智能法。 本 論 文即采用該方法進(jìn)行參數(shù)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(jìn)程。 傳統(tǒng)的方法無論是分析還是設(shè)計都存在大量的簡化和經(jīng)驗，準(zhǔn)確性差。隨著對工程設(shè)計概念例如可靠性設(shè)計、模糊設(shè)計等不確定性的因素的認(rèn)識，相應(yīng)的 優(yōu)化模型也已提出，基于可靠性概念的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化；目標(biāo)函數(shù)有單目標(biāo)、多目標(biāo)等；目前在航空航天領(lǐng)域考慮控制因素的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題 。 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計功能使其在有限元分析軟件中獨領(lǐng)風(fēng)騷，堪稱一絕。實際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS 選項都可以作優(yōu)化設(shè)計。 ANSYS中的設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)總稱優(yōu)化變量。狀態(tài)變量（ SVS）是約束設(shè)計的數(shù)值，它們是 “ 因變量 ” ，是設(shè)計變量的函數(shù)。它必須是設(shè)計變量的函數(shù)，也就是說，改變設(shè)計變量的數(shù)值將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值。優(yōu)化設(shè)計 :根據(jù)給定的設(shè)計要求和現(xiàn)有的技術(shù)條件，應(yīng)用專業(yè)理論和優(yōu)化方法，在計算機上從滿足給定的設(shè)計要求的許多可行方案中，按照給定的指標(biāo)自動地選出 最優(yōu)的設(shè)計方案。確定出影響目標(biāo)的獨立的設(shè)計參數(shù) (稱設(shè)計變量 )例如，一個產(chǎn)品的零部件尺寸直接影響產(chǎn)品體積和外形，因此可將零部件的尺寸作為體積目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)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(jié)構(gòu)。在卸灰前或者卸灰系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，積灰達(dá)到一定數(shù)量，積灰荷載為主要荷載。壁板面內(nèi)拉力主要由壁板承擔(dān)。 灰斗 的殼體建模 分析 灰斗為一典型的殼體結(jié)構(gòu)，理論上說，按殼體模型進(jìn)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(shù)的不斷發(fā)展，目前采用有限單元法用板殼單元模擬結(jié)構(gòu)的真實構(gòu)形，對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)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(biāo)系。單元的 x 方向可以旋轉(zhuǎn) THETA 角（角度）。當(dāng) KEYOPT(1)＝ 0（缺?。r，每個節(jié)點有六個自由度；節(jié)點坐標(biāo)系的 x、 y、 z 方向的平動和繞 x、 y、 z 軸的轉(zhuǎn)動。 網(wǎng)格劃分 通過 ANSYS 直接建立的實體模型在經(jīng)過網(wǎng)格 劃分后成為有限元模型，才能進(jìn)行有限元分析。 自由網(wǎng)格劃分是自動化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上（平面、曲面）可以自動生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動生成四面體網(wǎng)格?；叶窔んw部分采用自由網(wǎng)格劃分并采用 SHELL181 單元，單元長度為 50mm。下部臺架結(jié)構(gòu)支承點均按鉸接考慮。 施加灰斗載荷 ① 負(fù)壓作用 ： 灰斗的四個壁同時受負(fù)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(yīng)根據(jù)觸發(fā)積灰超載應(yīng)急程序時灰斗內(nèi)可能產(chǎn)生的最大積灰量確定，如果沒有積灰超載應(yīng)急程序，一般按積灰到灰斗進(jìn)氣口一半高度時確定。積灰在灰斗內(nèi)壁上，法向壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式： )s in( c o s 22 ?? kPP vknk ?? （ 41） 切向壓力標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值，取灰斗頂面與底面的平均值； )2/45(2 ??? otgk 為貯料側(cè)壓力系數(shù)； ? 是漏斗壁對水平面的夾角； S 是計算深度。認(rèn)為灰斗內(nèi)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(shù)。 具體計算方法： 第一種是均布負(fù)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(nèi)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(dá)到一定數(shù)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(yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)強度要求改進(jìn)結(jié)構(gòu)。 圖 44 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 22 圖 45 圖 46 從應(yīng)力應(yīng)變云圖中可以看出，灰斗的變形非常大，最大應(yīng)變?yōu)?，第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 23 最大應(yīng)力為 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的許用應(yīng)力， 結(jié)構(gòu) 需要改進(jìn)。 模型三 頂面四周加扁鋼，扁鋼寬 120mm，扁鋼厚 12mm?；叶返慕Y(jié)構(gòu)過于保守，有很大的優(yōu)化空間。 許用應(yīng)力約束 : σ max≤ σ s/[n]