【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 空間。介于此，就有了如下疑問(wèn)： amp。新型除塵器中所應(yīng)用的圍護(hù)板 壓型板是否是最優(yōu)的承載結(jié)構(gòu)形狀？ 第一章 緒論 6 而新結(jié)構(gòu)所應(yīng)滿足的基本要求如下： ? 在極限的情況下，即殼體內(nèi)的負(fù)壓達(dá)到 12KPa 時(shí)，按照新型設(shè)計(jì)結(jié)果下的設(shè)計(jì)尺寸制造的新型承載圍護(hù)板強(qiáng)度和剛度是否能滿足要求？ ? 對(duì)圍護(hù)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上確定相應(yīng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量，節(jié)省鋼材的損耗量。 針對(duì)上述問(wèn)題和要求，本文本著沒(méi)有最優(yōu)只有更優(yōu)的理念，充分利用 Ansys強(qiáng)大的拓?fù)鋬?yōu)化模塊和設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，探索出了一種更優(yōu)的承載結(jié)構(gòu)。 ANSYS 軟件介紹 ? ?? ?1415 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、 磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 開(kāi)發(fā)。它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊 : ? 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 。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(dòng) 力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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； ? 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出； ? 另外還有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊和拓?fù)鋬?yōu)模塊。 第一章 緒論 7 論文的研究?jī)?nèi)容、方案及特色 論文的研究?jī)?nèi)容 利用大型分析軟件 ANSYS ，對(duì)袋式除塵器中箱體箱板進(jìn)行概念性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)和對(duì)其結(jié)構(gòu)的性能分析研究。即利用 ANSYS 對(duì)袋式除塵器中箱體箱板結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化并且將其與以往壓型板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，從而找出最優(yōu)箱板結(jié)構(gòu)（確定箱板結(jié)構(gòu)形式和最優(yōu)尺寸）。并為此類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提供依據(jù)。 本課題研究方案 ； “天津設(shè)計(jì)院”的箱體平面圖； ANSYS 的各項(xiàng)模塊功能及拓?fù)鋬?yōu)化的理論知識(shí) ； Ansys 的拓?fù)鋬?yōu)化功能確定最優(yōu)箱板的基本結(jié)構(gòu)形式； ? 建立單一箱板截面平面模型，在 ansys 中定義相應(yīng)屬性，施加邊界條件及載荷 ??16 ，選擇多種優(yōu)化參數(shù) (如體積的減少量），得到多種相應(yīng)條件下的拓?fù)鋬?yōu)化的概念性材料分布圖。 ? 根據(jù)現(xiàn)行的制造限制從中選出具有較高可行性和經(jīng)濟(jì)性（例如鉆孔比切出某種形狀的槽更容易和廉價(jià)）的外形方案。 ? 用合適的載荷及邊界條件做一個(gè)靜力分析，并用許用應(yīng)力及撓度評(píng)估設(shè)計(jì)。 ANSYS 對(duì)新型箱板 進(jìn)行建模、有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果確定新型箱板的優(yōu)化參數(shù)，并對(duì)新型箱板進(jìn)行優(yōu)化； ； 。 第一章 緒論 8 研究目標(biāo) 通過(guò)對(duì)箱板結(jié)構(gòu)外形的設(shè)計(jì)、比較、分析和優(yōu)化，獲得袋式除塵器箱體箱板的最佳結(jié)構(gòu)外形及相應(yīng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，得到最經(jīng)濟(jì)、省材又符合設(shè)計(jì)要求的箱板結(jié)構(gòu)形式及尺寸。 主要特色 基于 ANSYS 軟件中經(jīng)典有限元分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和拓?fù)鋬?yōu)化模塊 ，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)、分析仿真和優(yōu)化，完成了整個(gè)研發(fā)過(guò)程的所有工作，從而大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程。 論文的研究意義 除塵設(shè)備的需要 1) 袋式除塵器的應(yīng)用前景 隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的逐步提高，國(guó)內(nèi)對(duì)大氣排放的要求將會(huì)逐漸與歐美各國(guó)的排放水平接近。目前，歐共體各國(guó)的粉塵平均排放要求低于 20mgm3 a 如果需要達(dá)到此水平，應(yīng)用目前的科技也只能采用高效的濾紙除塵器。因此國(guó)內(nèi)各有關(guān)環(huán)保組織正在大力呼吁推廣使用濾袋除塵器以代替靜電除塵器提高除塵效率。 2) 袋式除塵器是治理大氣污染的高效除塵設(shè)備 袋式除塵器的最大優(yōu)點(diǎn)就是除塵效率高，在實(shí)驗(yàn)室高達(dá) %，在實(shí)際應(yīng)用中也達(dá)到 %，粉塵排放濃度可達(dá)到 10mg/m3 以下，甚至達(dá)到 2mg/m3，這是袋式除塵器的過(guò)濾機(jī)理所決定的。這個(gè)機(jī)理就是使粉塵附著在濾袋上，用粉塵來(lái)過(guò)濾粉塵。因此，袋式除塵器的除塵效率最高。 3) 箱體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必要性 針對(duì)袋式除塵器的研究多集中在下框架和圍護(hù)鋼板的受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，而對(duì)灰斗 、中箱體、上箱體等部分的研究較少，其受力研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)十分貧乏。同時(shí)，由于缺乏能夠準(zhǔn)確反映其結(jié)構(gòu)受力性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，加之除塵器結(jié)構(gòu)第一章 緒論 9 設(shè)計(jì)多由工藝人員設(shè)計(jì)完成，人們?cè)谶M(jìn)行除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往過(guò)于保守或過(guò)于大膽，造成材料浪費(fèi)或安全隱患的后果。而除塵箱的基本結(jié)構(gòu)中，由于其所處的環(huán)境，使得除塵設(shè)備殼體箱板加工工藝是制造低壓脈沖袋式除塵器的工藝難點(diǎn) 。殼體箱板設(shè)計(jì)是除塵器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到設(shè)備的整體設(shè)計(jì)，影響到產(chǎn)品質(zhì)量，以及生產(chǎn)費(fèi)用。 ANSYS 軟件的應(yīng)用 在科技發(fā)展日新月異的今天，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā) 模式正發(fā)生著根本性的變革。 而 ANSYS 軟件作為集強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化功能為一身的科學(xué)軟件，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)、分析仿真和優(yōu)化，完成了整個(gè)研發(fā)過(guò)程的所有工作，從而大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程。 自我能力的提升 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠熟練掌握除塵器的工作原理，并從中了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般流程，為以后參加工作實(shí)踐打下基礎(chǔ)；還可將所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，提高學(xué)生駕馭知識(shí)的能力；并能熟練運(yùn)用 ANSYS 軟件。 第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 隨著科技水平的日益發(fā)展，人們對(duì)工程中所使用的各 種零部件提出了高的使用要求。如何在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，更好地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一直是工程界不斷努力追求的目標(biāo)。 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述 ? ?? ?1718 優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋求確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如質(zhì)量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）最小。也就是說(shuō)，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如，尺寸（如厚度）、形狀（如過(guò)渡圓角的大?。⒅挝?置、制造費(fèi)用、自振頻率、材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS 選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。 任何一項(xiàng)工程或一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，合理選擇方案，確定各種參數(shù)，以期達(dá)到最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)。為此，用 Ansys Workbench 在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程分析得到可行設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化到設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化選擇，通過(guò)這一過(guò)程，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，并滿足結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)。 隨著科技的發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，優(yōu)化技術(shù)的概念也在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸受到重視，其重要性可歸納如下： (1)減少零件制造時(shí)所需材料，因此降低制造成本及運(yùn)輸成本。 (2)由于材料的減少，使得產(chǎn)品整體重量大幅降低；相對(duì)地，產(chǎn)品重量降低，能量損失亦減少、系統(tǒng)效率增加，因此也達(dá)到環(huán)境保護(hù)的功能。 (3)降低應(yīng)力、增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 (4)改善產(chǎn)品外型。 (5)最佳化設(shè)計(jì)的過(guò)程可由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)執(zhí)行分析及控制設(shè)計(jì)參數(shù)，不須第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 11 再依賴(lài)大量的人工做產(chǎn)品應(yīng)力及結(jié)構(gòu)分析的工作，從而減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的人力消耗，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。 優(yōu)化設(shè)計(jì)基本理論 ? ?? ?1718 優(yōu)化問(wèn)題的基本原理是通過(guò)優(yōu)化模型的建立，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下迭代計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。 優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可表示為： minF(X)=F(x x? xn) gi (X)= gi(x x? xn)≤ 0 (i=1,2? n) hj (X)= hj(x x? xn)=0 (j=1,2? p) X=(x x? xn)T F(X) 為目標(biāo)函數(shù)，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，優(yōu)化問(wèn)題即為求目標(biāo)函數(shù)的極值。 gi (X)， hj (X)為 約束條件，是設(shè)計(jì)變量取值范圍及狀態(tài)變量空間范圍的限制條件，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。 X 為設(shè)計(jì)向量，由設(shè)計(jì)變量形成，是設(shè)計(jì)中需優(yōu)選的設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)設(shè)計(jì)向量即為一個(gè)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)向量的集合為設(shè)計(jì)空間 R，滿足約束條件的設(shè)計(jì)向量的集合可行域。 求解優(yōu)化問(wèn)題的方法一般采用數(shù)值迭代法如罰函數(shù)法（ SUMT），將約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束化問(wèn)題，通過(guò)迭代，逼近目標(biāo)函數(shù)極值。有限元法與優(yōu)化方法是工程分析中最主要的兩個(gè)數(shù)學(xué)工具，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮有限元法數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性及優(yōu)化方法求極值的高效性，將在工程分析中發(fā)揮巨大的威力。 由于傳統(tǒng)優(yōu)化方法求解的基本前提在于目標(biāo)函數(shù)及狀態(tài)變量的函數(shù)方程的建立，而對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型來(lái)說(shuō)，要想得出目標(biāo)函數(shù)及狀態(tài)變量的解析表達(dá)式是十分困難甚至是不可能的，為了將有限元法與優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)，則必須給出目標(biāo)函數(shù)，狀態(tài)變量函數(shù)的顯函數(shù)表達(dá)式。 第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分類(lèi) ? ?? ?? ?? ?17 18 19 20 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于尋求既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式、工況、材料和規(guī)范所規(guī)定的各種約束條件（如強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、構(gòu)造要求等），提出 優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型（目標(biāo)函數(shù)、約束條件、設(shè)計(jì)變量），然后根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法求解優(yōu)化模型，以獲得最佳的靜力或動(dòng)力等性態(tài)特征。根據(jù)問(wèn)題的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程相對(duì)應(yīng)大體上分為三個(gè)層次（見(jiàn)圖 ）：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，分別對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、基本設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)階段。 圖 結(jié)構(gòu)優(yōu)化類(lèi)型 尺寸優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、拓?fù)洹⑿螤畹幕A(chǔ)上，對(duì)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，其設(shè)計(jì)變量可能是桿的橫截面積、慣性矩、板的厚度等；形狀優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、拓?fù)涞幕A(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界形 狀進(jìn)行優(yōu)化，屬于可動(dòng)邊界問(wèn)題，對(duì)于連續(xù)體結(jié)構(gòu)通常是用一組參數(shù)可變的幾何曲線（如直線、圓弧、樣條等）描述結(jié)構(gòu)的邊界，調(diào)整了這些參數(shù)就改變了邊界的形狀，對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)則往往以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量；拓?fù)鋬?yōu)化主要是在規(guī)定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，在給定的外荷載和邊界條件下，改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湟詽M足有關(guān)平衡、應(yīng)力、位移等約束的前題下，使結(jié)第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 13 構(gòu)的某種性態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于骨架類(lèi)結(jié)構(gòu)（包括桁架和框架）來(lái)說(shuō)，關(guān)注結(jié)構(gòu)中單元的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)連接方式，對(duì)于連續(xù)體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，關(guān)注結(jié)構(gòu)的外邊界形狀和內(nèi)部有無(wú)孔洞及孔洞分布狀況等特性。 正如前面所介紹的箱體側(cè)板 的設(shè)計(jì)優(yōu)化歷程，目前，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化理論已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，其中一些經(jīng)典的優(yōu)化算法已融入到一些商用有限元軟件中，如 Nastran、 Idears、 Ansys、 Strand7 等。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段可以提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)者對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與部件能夠靈活地、理性地優(yōu)選方案，尋找結(jié)構(gòu)最佳的傳力路徑。與尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化確定的參數(shù)更多，取得經(jīng)濟(jì)效益更大。 ANSYS 提供了兩種方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)： ? 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì) ? 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì) . 拓 撲優(yōu)化設(shè)計(jì) 在產(chǎn)品概念（初期）設(shè)計(jì)階段，如果是全新產(chǎn)品、或較大程度的改形設(shè)計(jì)，在沒(méi)有證明是最優(yōu)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有產(chǎn)品以供參考、或沒(méi)有既有成功經(jīng)驗(yàn)以供借鑒的基礎(chǔ)上，是很難采取有效手段來(lái)快捷、準(zhǔn)確地確定產(chǎn)品初始構(gòu)型的。 基于 CAE 技術(shù)發(fā)展起來(lái)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)就是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱(chēng)為外型優(yōu)化。 拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。 與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè) 計(jì)變量都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。 拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo) —— 目標(biāo)函數(shù) —— 是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（ V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個(gè)技術(shù)通過(guò)使用設(shè)計(jì)變量（ i）給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些偽密度用 PLNSOL，第二章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 14 TOPO 命令來(lái)繪出。 例如，給定 V=60表示在給定載荷并滿足最大剛度準(zhǔn)則要求的情況下省去 60%的材料。圖 表示滿足約束和載荷要求的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖 表示載荷和邊界條件，圖 表 示以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果。 圖 體積減少 60%的拓?fù)鋬?yōu)化示例 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì) 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展已有近 20 年的歷史，它是在 CAE 技術(shù)及數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種設(shè)計(jì)方法，主要用于產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。其基本原來(lái)是：以參數(shù)化方式建立 CAE 模型（設(shè)計(jì)參數(shù)），在滿足所設(shè)定的設(shè)計(jì)要求的條件下（約束函數(shù)），運(yùn)用各