【正文】 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，以及結(jié)構(gòu)模塊化、快裝化計(jì)算機(jī)仿真，方便、快捷地實(shí)現(xiàn)除塵器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算，在節(jié)約鋼材與結(jié)構(gòu)安全之間找 到一個(gè)平衡點(diǎn)非常有必要。 ② 安全問題。袋式除塵器從小型單室結(jié)構(gòu)發(fā)展到大型多室結(jié)構(gòu)，過濾面積從幾平方米發(fā)展到幾萬平方米，規(guī)模越來越大，耗鋼量越來越多。 關(guān)鍵詞 ： ANSYS；結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 有限元分析 ；參數(shù)化建模；袋式除塵器； 灰斗 Abstract II Analysis and Optimization of pluse fabric filter’ Bucket Structural Which Based On Ansys Abstract With the increasingly severe environment, there is growing attention to environmental issues. As a high efficient gas dust collector equipment, large scale bag filter is used more and more widely. The current studies of large scale bag filter are mainly focused on process aspects. But rarely on steel structure. With the price of steel rising, the mechanical performance and steel consumption of steel structure of large scale bag filter became an increasingly prominent problem. This paper may give and cut cost for design some direction to economize steels amp。 本文對大型袋式除塵器的灰斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變 分析。 保密 □ ，在 年解密后適用本授權(quán)書。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。隨著鋼材價(jià)格的上漲，除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性的問題較為突出，而對除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)的研究卻明顯不足。 本文工作為大型袋式除塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和優(yōu)化提供了參考依據(jù)，對建立其高效率高精度的分析設(shè)計(jì)方法具有重要意義。 ① 耗鋼量。因此，優(yōu)化除塵器結(jié)構(gòu)，降低耗鋼量已成為袋式除塵器技術(shù)進(jìn)步的一 個(gè)重要方面。武斷地降低耗鋼量，使結(jié)構(gòu)變得輕巧，可能帶來結(jié)構(gòu)安全隱患；盲目地追求結(jié)構(gòu)安全，提高結(jié)構(gòu)重量，可能造成大量浪費(fèi)。隨著我國環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格 ,除塵器得到越來越廣泛的應(yīng)用。上鋼五廠新建100 噸電爐采用這種設(shè)備處理風(fēng)量 萬 m3/h，排塵濃度為 8～ 12mg/m3，設(shè)備阻力低于 1200Pa，噴吹壓力 ≤ ，清灰周期長達(dá) 75min，運(yùn)行三年多，濾袋和脈沖閥膜片尚未破損，過濾面積為 11716m2。因此，許多物料回收系統(tǒng)拋棄原有的多級收塵工藝，而以一級收塵取代。特氟綸濾料已有少量應(yīng)用。 針刺氈的后處理技術(shù)多樣化，原來較少應(yīng)用的防油、防水、阻燃、抗水解等處理日漸普遍，使針刺氈濾料能適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)用更為廣泛。 ③ 袋式除塵器自動控制系統(tǒng) 袋式除塵器的自動控制已普遍采用 PLC 機(jī)，工控機(jī)（ IPC）也已進(jìn)入這一領(lǐng)域。對各控制參數(shù)的調(diào)節(jié)更加方便。 本課題研究內(nèi)容 利用 ANSYS 軟件建立了 灰斗的殼體 模型 ,基于整體結(jié)構(gòu)設(shè)定邊界條件 ,定義約束 ,進(jìn)行有限元靜力分析計(jì)算。 論文可為設(shè)計(jì)制造部門起到較好指導(dǎo)作用 ,以便節(jié)約鋼材 ,減低成本 ,以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。研究袋式除塵器灰斗在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力及變形，與其材料所能承受的最大應(yīng)力極限相比較，從而判斷袋式除塵器結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度、剛度要求。濾袋的材質(zhì)是天然纖維、化學(xué)合成纖維、玻璃纖維、金屬纖維或其他材料。 袋式除塵器的突出優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高，屬高效除塵器，除塵效率一般大于99%。袋式除塵器的不足之處是對潮解、黏性粉塵不如濕式除塵器。脈沖的高壓空氣通過開口濾袋的頂端噴入袋內(nèi)，引起濾袋外側(cè)的煙塵脫落。噴吹氣源氣壓為低于 者稱為低壓噴吹 。 袋式除塵器的過濾機(jī)理 袋式除塵器的 除塵過程主要是由濾袋完成的。 ① 篩分作用 第二章 袋式除塵器簡介 5 含塵氣體通過濾布時(shí)，濾布纖維間的空隙或吸附在濾布表面粉塵間的空隙把大于空隙直徑的粉塵分離下來，稱為篩分作用。對于針刺氈或起絨濾布，由于氈或起絨濾布本身構(gòu)成厚實(shí)的多孔濾層，可以比較充分發(fā)揮篩分作用，不全依靠粉塵層來保持較高的除塵效率。 ③ 擴(kuò)散作用 當(dāng)粉塵顆粒在 m? 以下時(shí)，由于粉塵極為細(xì)小而產(chǎn)生如氣體分子熱運(yùn)動的布朗運(yùn)動，增加了粉塵與濾布表面的接觸機(jī)會，使粉塵被捕集。 ④ 黏附作用 當(dāng)含塵氣體接近濾布時(shí)，細(xì)小的粉塵仍隨氣流一起運(yùn)動，若粉塵的半徑大于粉塵中心到濾布邊緣的距離時(shí)，則粉塵被濾布粘附而被捕集。反之，如果兩者所帶的電荷相同，則產(chǎn)生斥力，粉塵不能吸附到濾布上，使除塵效率下降。在外加電場的情況下，可加強(qiáng)靜電作用，提高除塵效率。 袋式除塵器分類 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對袋式除塵器的 要求越來越高，因此在濾料材質(zhì)、濾袋形狀，清灰方式、箱體結(jié)構(gòu)等方面也不斷更新發(fā)展。 ： 按濾袋形狀分類，可分為圓袋式除塵器和扁袋式除塵器兩類。 （ 2）扁袋式除塵器。 （ 1）內(nèi)濾式袋式除塵器。圖 22 中 b、 d 為外濾式袋式除塵器，含塵氣流由濾袋外側(cè)流向內(nèi)側(cè)，粉塵沉積在濾袋外表面上，其濾袋內(nèi)要設(shè)支撐骨架，因此濾袋磨損較大。 （ 1）下進(jìn)風(fēng)袋式除塵器。圖 中 d、 e 為上風(fēng)袋式除塵器，含塵氣體的人口設(shè)在除塵器上部，粉塵沉降與氣流方向一致，有利于粉塵沉降，除塵效率有所提高，設(shè)備阻力也可降低 15﹪ ~30﹪。除塵器在正第二章 袋式除塵器簡介 8 壓狀態(tài)下工作，由于含塵氣體先經(jīng)過風(fēng)機(jī)，對風(fēng)機(jī)的磨損較嚴(yán)重，因此不適用于高濃度、粗顆粒、高硬度、強(qiáng)腐蝕性的粉塵。下文所出現(xiàn)的除塵器均指單排單側(cè)風(fēng)道式脈沖袋式除塵器?；叶窞榘謇呓Y(jié)構(gòu)，懸掛于下框架頂梁，灰斗頂平面有剛度很強(qiáng)的水平支撐，跨距較大時(shí)，灰斗內(nèi)部也可加水平支撐。上箱體內(nèi)設(shè)置有噴吹裝置 。風(fēng)道中部布置有通長的斜隔板，斜隔板下方為含塵氣體進(jìn)入通道，斜隔板上方為潔凈氣體排出通道 。 圖 23 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 9 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 軟件介紹 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。 ① 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。在 ANSYS 程序中，坐標(biāo)系統(tǒng)用于定義空間幾何結(jié)構(gòu)的位置、節(jié)點(diǎn)自由度 的方向，材料特性的方向。 ANSYS 程序提供了 3 種不同的建模方法：模型導(dǎo)人、實(shí)體建模及直接生成。從使用選擇的角度來說，網(wǎng)格劃分可分為系統(tǒng)智能劃分與人工選擇劃分 2 種。 ANSYS 提供的直接求解器可以計(jì)算出線性聯(lián)立方程組的精確解。 ANSYS 的后處理過程緊接在前處理和求解過程之后，通過友好的用戶界面，用戶可以很容易地獲得求 解過程的分析結(jié)果并對這些結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等。后處理訪問數(shù)據(jù)集的方法有 2 種，一是用通用后處理器 POST1 來查看整個(gè)模型或選定的部分模型在某一時(shí)間步的結(jié)果。通過切片功能可以獲得所分析模型在任何平面的結(jié)果。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。將所有作用在單元上的力 (表面力、體積力、集中力 )等效的移置為節(jié)點(diǎn)載荷，這樣就可以采用力學(xué)的變分原理，獲得單元的平衡方程組。由于計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算工作量大，往往要通過高性能電子計(jì)算機(jī)才能完成。 ③ 直接操作法 ④ 語言描述法 ⑤ 參數(shù)化有限元建 模方法 在以上參數(shù)化的幾何造型系統(tǒng)中 ， 設(shè)計(jì)參數(shù)的作用范圍是幾何模型，但若進(jìn)行有限元分析計(jì)算，需要將其導(dǎo)入有限元分析軟件，轉(zhuǎn)化為有限元模型才行。 APDL（ Ansys Parametric Design Language）語言是有限元分析軟件 ANSYS自帶的一種批處理語言，它為參數(shù)化的有限元模型提供了一個(gè)有力的工具。 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì) ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)思想 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和判斷提出設(shè)計(jì)方案，隨后用力學(xué)理論對給定的方案進(jìn)行分析、校核。 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化（亦稱結(jié)構(gòu)綜合），主要指數(shù)值結(jié)構(gòu)優(yōu)化或計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其研究內(nèi)容是把數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與力學(xué)分析方法結(jié)合起來，以計(jì)算機(jī)為工具，建立一套科學(xué)的、系統(tǒng)的、可靠而又高 效的方法和軟件，自動地改進(jìn)和優(yōu)化受各種條件限制的承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 有三個(gè)基礎(chǔ)： 一是計(jì)算機(jī)技術(shù)；二是結(jié)構(gòu)分析的方法；三是數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論。眾所周知，所謂 “ 最優(yōu)設(shè)計(jì) ” 是指一種方案可以滿足所有設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如重量，面積，體積，應(yīng)力，費(fèi)用等）最小。 一個(gè)合理的設(shè)計(jì)是指滿足所有給定的約束條件（設(shè)計(jì)變量的約束和狀態(tài)變量的約束 ）的設(shè)計(jì)。在 ANSYS 中這些變量是由用戶定義的參數(shù)來指定的。狀態(tài)變量可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或下限。在 ANSYS 優(yōu)化程序中，只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程可以用下圖 31 來表示。 本論文中，設(shè)計(jì)變量見表 ，狀態(tài) 變量為最大應(yīng)變與最大應(yīng)力，目標(biāo)函數(shù)為灰斗結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。 在灰斗跨距過大時(shí)，在灰斗內(nèi)部自上而下布置多層水平撐管（圖 43）。典型的灰斗都是板殼帶肋的結(jié)構(gòu)。此時(shí)灰斗壁板除法向受積灰荷載外，切向也受積灰荷載而使灰斗壁板受拉。 當(dāng)負(fù)壓為主要荷載時(shí)，灰斗內(nèi)部水平撐管受壓 。但由于灰斗幾何形狀復(fù)雜，經(jīng)典的殼體理論難以求解，故長期以來工程中都是把灰斗分解成梁、板構(gòu)件，加勁肋之間的板按四邊簡支板計(jì)算，加勁肋則按梁來考慮?；谏鲜龇治?，本論文中灰斗結(jié)構(gòu)采用殼體建模。 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 18 SHELL 63 單元支持應(yīng)力剛化和大繞度，不支持大應(yīng)變， 僅能通過實(shí)常數(shù)定義厚度。這個(gè)單元在節(jié)點(diǎn)上有 6 個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn) x、 y、 z 方向的平動和繞節(jié)點(diǎn) x、 y、 z 方向 的旋轉(zhuǎn)。它是通過四個(gè)節(jié)點(diǎn)、四個(gè)厚度、彈性支座剛度和正交各向異性的材料性質(zhì)來定義。 Beam188 單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。當(dāng) KEYOPT(1)=1 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，這時(shí)引入了第七個(gè)自由度（橫截面的翹曲）。 對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。對于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時(shí)省力，但缺點(diǎn)是單元數(shù)量通常會很大 ，計(jì)算效率降低。加第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 19 強(qiáng)筋都用 Beam188，采用自由網(wǎng)格劃分。每個(gè)豎向支承點(diǎn)均約束豎向位移 。 ② 積灰荷載 ： 除塵器的灰斗將除塵過程中的廢塵收集起來，通過灰斗下口的輸灰裝置輸送出去。 在相關(guān)的灰斗設(shè)計(jì)資料中，并沒有規(guī)定正常運(yùn)行工況下和偶然故障工況下的灰斗壁板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)只按偶然故障工 況計(jì)算。將法向力和切向力分解成水平力和豎向力： ??? 2c ossin21 SkPh ? （ 43） )s in21(c os21 2 ??? kSkPv ?? （ 44） 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 20 ② 參考《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB 500772020）。 灰斗在工作過程中，應(yīng)當(dāng)防止強(qiáng)度破壞，但更突出的問題是結(jié)構(gòu)變形問題。 第二種是梯度積灰荷載，積灰高度取 2/3 灰斗高度，考慮灰斗自重。 分別考慮灰斗在負(fù)壓和滿載灰時(shí)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。此時(shí)灰斗壁板除法向受積灰荷載外，切向也受積灰荷載而使灰斗壁板受拉。由于 k 是小于 1 的數(shù)，因此夾角越大，只越大。 橫向加強(qiáng)筋參數(shù)見 表 。改進(jìn)一，加縱向加強(qiáng)筋。底面加法蘭加強(qiáng)筋（角鋼），錐面交界處加加強(qiáng)鋼板 ,加強(qiáng)鋼板寬 100mm，加強(qiáng)鋼板厚 10mm。在灰斗應(yīng)力分布中，這些加強(qiáng)筋消耗的材料很多，如果能夠減少它們的數(shù)量，將極大提減小 灰斗重量。此處取其上限值 ，則根據(jù)許用應(yīng)力公式 σmax≤ σs/[n] ，取最大等效應(yīng)力 SMAX 取上限值為 SMAX 為 ，在本文中我們?nèi)?160MPa。 對灰斗優(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