【正文】 （ 61） 式中 :σs一材料的許用應(yīng)力極限 [n]一安全系數(shù) 由于袋式除塵器灰斗所用材料為 Q235 鋼，該材料屈服極限 (失效應(yīng)力 ) 為185235MPa，根據(jù)大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐結(jié)果，一般機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，靜載荷條件下塑性材料安全系數(shù) ,可取為 ~。筋為長度的 1/250；這里也取 2m,則變形為 . 由于 Q235 鋼是彈性材料，整個(gè)灰斗結(jié)構(gòu)的受力變形要比許用的變形小得多，考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本次優(yōu)化的最大安全許用變形△ lmax 約束為 13mm。例如，灰斗的零部件尺寸直。應(yīng)該根據(jù)所掌握的資料，制定出所應(yīng)達(dá)到的目標(biāo) 。 剛度變形約束 : △ lmax≤ [△ l] （ 62） 式中 : [△ l]表示 材料許用最大變形 ?？梢酝ㄟ^減小加強(qiáng)筋橫截面，進(jìn)而減少灰斗重量。 移動縱向加強(qiáng)筋的位置 （各為 150mm） ，避免交于一點(diǎn)以緩解應(yīng)力集中 ，如圖 54 所示 。第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 24 第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 模型二 加縱向加強(qiáng)筋 如圖 51。模型中自上向下，加強(qiáng)筋 1,2,4,5 為角鋼， 3 為槽鋼。 本論文中根據(jù)公式計(jì)算出灰斗底部壁板的法向切和 根據(jù)公式計(jì)算出灰斗底部壁板的法向和切向力，寫成命令流形式導(dǎo)入，在灰斗頂部和灰斗底部之間施加漸變荷載。 當(dāng)滿灰載時(shí)，將積灰荷載分解為灰斗板的法向荷載荷切向荷載?；叶分袩o積灰或積灰很少時(shí)，灰斗主要受負(fù)壓 7500Pa 作用，負(fù)壓作用為灰斗壁板的法向荷載。 鋼材密度設(shè)置為 ，打開重力加速度開關(guān)，重力加速度設(shè)置為 m/s2 以此來考慮灰斗自重。往往在灰斗發(fā)生強(qiáng)度破壞之前，其內(nèi)壁的變形已經(jīng)難以符合使用的要求。 灰斗積灰重心以下距離 S（ m）切向壓力計(jì)算公式： ?? c o ss in)1( kPP vt ?? （ 45） 其中， SPv ?? 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)； 法向壓力計(jì)算公式： vn PP ?? （ 46） 其中， ? 為壓力系數(shù)，查其附錄 D 可得。本論文中 考慮的是滿灰時(shí) ?；叶贩e灰可分為正常運(yùn)行工況和偶然故障工況。臺架斜支撐的支承點(diǎn) ,根據(jù)支撐布置的方向約束相應(yīng)方向的水平位移。 施加約束 上部殼體結(jié)構(gòu)對圈梁結(jié)構(gòu)的作用不計(jì)。同時(shí)，由于這種方法對于三維復(fù)雜模型只能生成四面體單元，為了獲得較好的計(jì)算精度，一般建議采用二次四面體單元。在 ANSYS 中，網(wǎng)格劃分有三個(gè)步驟：定義單元屬性（包括實(shí)常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動和 /并非線性大應(yīng)變問題。 Beam188 是三維線性（ 2 節(jié)點(diǎn)）或者 二次梁單元。正交各向異性材料方向與單元坐標(biāo)方向相對應(yīng)。它 也具備了應(yīng)力硬化和大變形能力。 而 SHELL181 單元 不僅支持應(yīng)力剛化與大繞度，還支持大應(yīng)變，且能通過實(shí)常數(shù)與橫截面定義多層組合厚度。 灰斗基本參數(shù) 表 ： 灰斗基本參數(shù)（單位 mm） 灰斗參數(shù) 頂面 底面 高 錐角 5780*5720 300*300 5000 60176。結(jié)合設(shè)計(jì)圖表，這種簡化方法可以通過手算實(shí)現(xiàn)， 很容易為設(shè)計(jì)人員接受。當(dāng)積灰為主要荷載時(shí)，灰斗內(nèi)水平撐管受拉?；叶繁诎宓乃郊觿爬叱袚?dān)相鄰壁板傳遞 的水平拉力和壁板法向受壓時(shí)傳遞的彎矩 ?；叶分袩o積灰或積灰很少時(shí)，灰斗主要受負(fù)壓作用，負(fù)壓作用為灰斗壁板的法向荷載。 圖 41 圖 42 圖 43 從結(jié)構(gòu)上來講， 灰斗由四塊梯形壁板組合，形成斗狀，再視其載荷大小，根據(jù)正常使用極限狀態(tài)下變形要求，配置橫筋和豎筋加強(qiáng)。 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 15 圖 32 ANSYS 軟件建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)的示意圖和流程 參數(shù)設(shè)定 建立參數(shù)化幾何模型 局部參數(shù)化分網(wǎng) 施加載荷及邊界條件 運(yùn)行計(jì)算 除塵器幾何模型的合理簡化 導(dǎo)出分析文件 確定目標(biāo)函數(shù) 設(shè)定設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量范圍 選擇優(yōu)化方法 優(yōu)化分析 目標(biāo)函數(shù)收斂 滿足約束條件 輸出優(yōu)化結(jié)果 修改設(shè)計(jì)變量 否 否 是 是 將優(yōu)化結(jié)果與原始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析對比 為工程設(shè)計(jì)提出參考 運(yùn)用 APDL 語言建立參數(shù)化有限元模型 運(yùn)用 ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 16 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 灰斗的結(jié)構(gòu)形式 從外形來分，灰斗主要分為錐形灰斗和船型灰斗 （圖 41） 。 圖 31 對一個(gè)實(shí)際機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，我們首先應(yīng)對優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分析，收集有關(guān)資料，搞清所優(yōu)化的機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到什么樣的性能要求，并要綜合考慮產(chǎn)品制造的工藝性、可靠性、產(chǎn)品的制造成本、工作條件和用戶的需求等因素。 優(yōu)化過程 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 14 優(yōu)化過程 是尋找給定函數(shù)取極大值 (以 max 表示 )或極小 (以 min 表示 )的過程。在 ANSYS 優(yōu)化程序中用戶可以定義不超過 100 個(gè)狀態(tài)變量。 ① 設(shè)計(jì)變量（ DVS），優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計(jì)變量的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有上下限，它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍。如果其中任一約束條件不被滿足 ，設(shè)計(jì)就是被認(rèn)為是不合理的。也就是說，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案是一個(gè)最有效的方案。 計(jì)算機(jī)的技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論是硬件還是軟件水平部有很大提高，而且迅速發(fā)展，為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化提供了越來越好的實(shí)現(xiàn)環(huán)境。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)分析能力和手段的不斷完善，數(shù)學(xué)尋優(yōu)技術(shù)的提高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為計(jì)算力學(xué)中員活躍的分文之一，其研究已有很多綜述報(bào)道。若方案不滿足約束限制，人工調(diào)整設(shè)計(jì)變量，重新進(jìn)行分析、校核，直到找到一個(gè)可行方案，即滿足各種條件限制的方案。 有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過程包括：定義模型及其載荷、求解和解釋結(jié)果。但這樣依然不能為后續(xù)的分析優(yōu)化程序所用 。 參數(shù)化建模 參數(shù)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前 CAE 技術(shù)的重要研究領(lǐng)域之一，它是指設(shè)計(jì)對象 的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關(guān)系，參數(shù)與設(shè)計(jì)對象的控制尺寸有顯然的對應(yīng)，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動的影響，即通過改變模型的幾何尺寸參數(shù)值來改變模型的幾何形狀，所以也稱參數(shù)尺寸驅(qū)動。要達(dá)到這一目的，關(guān)鍵在于建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系矩陣 — 剛度矩陣。 有限元法求解步驟 有限單元法的解題思路可簡述為 :從結(jié)構(gòu)的位移出發(fā)，通過尋 找位移和應(yīng)變，應(yīng)變與應(yīng)力，應(yīng)力與內(nèi)力，內(nèi)力與外力的關(guān)系，建立相應(yīng)的方程組，從而由已知的外力求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力和位移。 有限元法 有限元思想簡介 有限單元法 (finite element method, FEM)屬于力學(xué)分析中的數(shù)值法，起源于航空工程中的矩陣分析，它是把一個(gè)連續(xù)的介質(zhì) (或構(gòu)件 )看成是由有限數(shù)目的單元組成的 集合體，在各單元內(nèi)假定具有一定的理想化的位移和應(yīng)力分布模式，各單元間通過節(jié)點(diǎn)相連接，并藉以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞，各單元之間的交接面要求位移協(xié)調(diào)，通過力的平衡條件，建立一套線性方程組，求解這些方程組，便可得到各單第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 11 元和結(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力?？梢垣@得等值線顯示、變形形狀以及檢查與解釋分析的結(jié)果和列表，也提供許多其它功能。輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表 2 種。ANSYS 程序還提供了一個(gè)有效的稀疏矩陣求解器，它既可用于線性分析，又可用于非線性分析。從網(wǎng)格劃分的功能來說，則包括 4 種劃分方式：延伸劃分、映像劃分、自由劃分第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 10 與自適應(yīng)劃分；延伸劃分是將 1 個(gè)二維網(wǎng)格延伸成 1 個(gè)三維網(wǎng)格；映像劃分是將一個(gè)幾何模型分解成幾部分，然后選擇合適的單元屬性與網(wǎng)格控制，分別劃分生成映像網(wǎng)格；自由劃分由 ANSYS 程序提供的網(wǎng)格自由劃分器來實(shí)現(xiàn)，這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中網(wǎng)格不匹配帶來的問題；自適應(yīng)劃分是在生成具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，并分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，再重新定義，直至誤差低于用戶定義的值。每種方法有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。程序中可用的坐標(biāo)系類型有笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系及環(huán)坐標(biāo)系。 前處理模塊主要實(shí)現(xiàn) 3 種功能：參數(shù)定義、實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分。 ② 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分 析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力 。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)。風(fēng)道結(jié)構(gòu)和受力基本與中箱體相同，只是每個(gè)跨間不再有鋼板分隔， 如圖 23。上箱體為鋼框架加維護(hù)板結(jié)構(gòu)，底板為花板，用來懸掛濾袋，頂板為檢修門框和檢修門 。中箱體用來圍護(hù)濾袋所處的空間 。除塵器結(jié)構(gòu)主要由下 框架、中箱體 (慮袋室 )、風(fēng)道、上箱體和平臺爬梯 5 大部分組成，其中上箱體又分為潔凈室箱體和提升閥箱體。 （ 2）負(fù)壓式除塵器。 ： 按除塵器內(nèi)的壓力分類，可分為負(fù)壓式除塵器和正壓式除塵器 兩類。圖 22 中 b、 c 為下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器，含塵氣體由除塵器下部進(jìn)入，氣流自下而上，大顆粒直接落人灰斗，減少了濾袋磨損，延長了清灰間隔時(shí)間，但由于氣流方向與粉塵下落方向相反，容易帶出部分微細(xì)粉塵，降低了 清灰效果，增加了阻力。脈沖噴吹，回轉(zhuǎn)反吹等清灰方式多采用外濾形式。圖 22 中 c、 e 為內(nèi)濾式袋式除塵器， 含塵氣流由濾袋內(nèi)側(cè)流向外側(cè)，粉塵沉積在濾袋內(nèi)表面上，優(yōu)點(diǎn)是濾袋外部為清潔氣體，便于檢修和換袋，甚至不停機(jī)即可檢修。圖 22 中 a 是扁袋式袋式除塵器，濾袋形狀為扁平形，厚度及濾袋間隙為 25~50mm，高度為 ~,深度為 300~500 ㎜。 （ 1）圓袋式除塵器。在除塵器中，袋式除塵器的類型最多，根據(jù)其特點(diǎn)可進(jìn)行不同的分類 。 第二章 袋式除塵器簡介 6 脈沖式袋式除塵器工作 原理 在脈沖噴吹袋式除塵器的運(yùn)行過程中含塵氣體由塵氣進(jìn)口進(jìn)入箱體，由濾袋外部進(jìn)入內(nèi)部，由下向上，進(jìn)入潔凈室中，粉塵在此過程中被阻留在濾袋的外表面，潔凈室中的干凈氣體通過排風(fēng)管排出。所以，靜電作用能改善或妨礙濾布的除塵效率。濾布的空隙越小，這種粘附作用也越顯著。這種擴(kuò)散作用與慣性作用相反，隨著過濾氣速的降低而增大，粉塵粒徑的減小而增強(qiáng)。 ② 慣性作用 含塵氣體通過濾布纖維時(shí)，氣流繞過纖維，而大于 1m? 的粉塵由于慣性作用仍保持直線運(yùn)動撞擊到纖維上而被捕集，粉塵顆粒直徑越大，慣性作用也越大。對于新濾布，由于纖維之間的空隙很大，這種效果不明顯，除塵效率亦低。濾袋是各種濾料纖維織造后縫制而成。噴吹氣源壓力高于 者稱為高壓噴吹。大型脈沖袋式除塵器有離線清灰和在線清灰兩種方式。 脈沖噴吹袋式除塵器 是以壓縮空氣為清灰動力，利用脈沖噴吹機(jī)構(gòu)在瞬間釋放出壓縮空氣，誘導(dǎo)數(shù)倍的二次空氣高速射入濾袋，使濾袋急劇膨脹，依靠沖擊振動和反向氣流而清灰的袋式除塵器。運(yùn)行穩(wěn)定，不受風(fēng)量波動影響，適應(yīng)性強(qiáng)，不受粉塵比電阻值限制。用這些材料織造成濾布，再把濾布縫制成各種形 狀的濾袋，如圓形、扇形、波紋形或菱形等。 研究目標(biāo)與主要特色 ① 通過對袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模及有限元優(yōu)化分析，使得袋式除塵器的灰斗在滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的效果。 本課題研究方案 ① 利用有限元分析軟件 ANSYS 的 CAD 及 CAE 功能對袋式除塵器灰斗進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。分析主要研究了 灰斗結(jié)構(gòu) 的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等分布情況 ,結(jié)論認(rèn)為該 方法對普通 的 灰斗分析的 安全系數(shù)較大 ,有較大的優(yōu)化空間。 由于大型袋式除塵器的體積龐大 ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的簡化后利用材料力學(xué)作簡單的校核計(jì)算 ,因此往往造成基礎(chǔ)參數(shù)和安全系數(shù)選擇較大 ,結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定具有一定的盲目性和保守性 ,以致消耗材料過多 ,成本增加 ,而且設(shè)計(jì)周期長 ,不能快速響應(yīng)客戶需求。中、小型設(shè)備多采用單片機(jī)或集成電路為核心的控制技術(shù)。 表面過濾材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，是更為積極的進(jìn)步，連袋式除塵的機(jī)理都有所變化。由微細(xì)玻璃纖維與耐高溫 P84 等化學(xué)纖維復(fù)合，利用特殊工藝制成的新型 FMS— 氟美斯耐高溫針刺氈在鋼鐵、水泥、天然氣、化工等行業(yè)已有不少成功的應(yīng)用。例如以長袋脈沖袋式除塵器的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化過濾、清灰和安全防爆功能，形成高濃度煤粉收集技術(shù)，已成功用于煤磨系統(tǒng)的收粉工藝，并在武鋼、鞍鋼等多家企業(yè)推廣應(yīng)用。隨后建設(shè)的一批超高功率電爐也都競相采用大型脈沖袋式除塵器。 袋式除塵器自 1881 年問世至今 ,已經(jīng)得到很大發(fā)展。所以，針對不同規(guī)格除塵器結(jié)構(gòu)的安全隱患和薄弱點(diǎn)，研究結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及其控制技術(shù)、熱應(yīng)力消除技術(shù)及其補(bǔ)償措施，以及除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)基于 ANSYS 的袋式除塵器