【導(dǎo)讀】集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在。文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。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。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。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。結(jié)構(gòu)的研究卻明顯不足。本文對大型袋式除塵器的灰斗結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力和應(yīng)變分析。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。立其高效率高精度的分析設(shè)計方法具有重要意義。

　　

【正文】 *8 縱向加強筋參數(shù) 縱向角鋼 100*63*7 灰斗殼體模型的基本設(shè)定（按順序） 定義單元格 本論文中灰斗殼體采用 SHELL181 單元 模擬 。 加強筋采用 BEAM188 模擬。 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， 僅能通過實常數(shù)定義厚度。 而 SHELL181 單元 不僅支持應(yīng)力剛化與大繞度，還支持大應(yīng)變，且能通過實常數(shù)與橫截面定義多層組合厚度。 SHELL181 單元能更好的模擬由板構(gòu)成的型鋼。 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。這個單元在節(jié)點上有 6 個自由度：節(jié)點 x、 y、 z 方向的平動和繞節(jié)點 x、 y、 z 方向 的旋轉(zhuǎn)。它 也具備了應(yīng)力硬化和大變形能力。在大變形（有限的旋轉(zhuǎn)）分析中可選擇一致正切剛度矩陣這一選項。在 SHELL181 中顯示了該單元的幾何，節(jié)點位置和單元坐標(biāo)系。它是通過四個節(jié)點、四個厚度、彈性支座剛度和正交各向異性的材料性質(zhì)來定義。正交各向異性材料方向與單元坐標(biāo)方向相對應(yīng)。單元坐標(biāo)系的方向正如坐標(biāo)系中描述的那樣。單元的 x 方向可以旋轉(zhuǎn) THETA 角（角度）。 Beam188 單元適合于分析從細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。 Beam188 是三維線性（ 2 節(jié)點）或者 二次梁單元。每個節(jié)點有六個或者七個自由度，自由度的個數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。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。當(dāng) KEYOPT(1)=1 時，每個節(jié)點有七個自由度，這時引入了第七個自由度（橫截面的翹曲）。這個單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動和 /并非線性大應(yīng)變問題。 材料屬性定義 本結(jié)構(gòu)采用鋼 Q235 作為材料，彈性模量 取 ，泊松比為 。 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，才能進行有限元分析。 對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。在 ANSYS 中，網(wǎng)格劃分有三個步驟：定義單元屬性（包括實常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的方法有自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分拖拉、掃略網(wǎng)格劃分、混合網(wǎng)格劃分。 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。對于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時省力，但缺點是單元數(shù)量通常會很大 ，計算效率降低。同時，由于這種方法對于三維復(fù)雜模型只能生成四面體單元，為了獲得較好的計算精度，一般建議采用二次四面體單元。 本論文的 灰斗結(jié)構(gòu)中有很多橫向和縱向角鋼槽鋼作為加強筋，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。灰斗殼體部分采用自由網(wǎng)格劃分并采用 SHELL181 單元，單元長度為 50mm。加第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 19 強筋都用 Beam188，采用自由網(wǎng)格劃分。 施加約束 上部殼體結(jié)構(gòu)對圈梁結(jié)構(gòu)的作用不計。上部殼體結(jié)構(gòu)坐落在圈梁的邊梁上 ,對圈梁主梁受力影響有限 ,因此 ,上部殼體結(jié)構(gòu)對圈梁結(jié)構(gòu)的作用 ,包括上部結(jié)構(gòu)傳遞來的作用力和結(jié)構(gòu)變形約束作用 ,不予考慮。下部臺架結(jié)構(gòu)支承點均按鉸接考慮。每個豎向支承點均約束豎向位移 。臺架斜支撐的支承點 ,根據(jù)支撐布置的方向約束相應(yīng)方向的水平位移?；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 。 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。 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。灰斗積灰可分為正常運行工況和偶然故障工況。正常運行工況下的荷載積灰應(yīng)根據(jù)產(chǎn)灰量、灰斗容量、不 停機檢修持續(xù)時間、以及灰斗灰位控制與出灰制度等確定。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氣口一半高度時確定。 在相關(guān)的灰斗設(shè)計資料中，并沒有規(guī)定正常運行工況下和偶然故障工況下的灰斗壁板設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計時只按偶然故障工 況計算。本論文中 考慮的是滿灰時 。 荷載計算方法 ① 參考《糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范》，（ GB 503222020）。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。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)計規(guī)范》（ GB 500772020）。 灰斗積灰重心以下距離 S（ m）切向壓力計算公式： ?? 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)； 法向壓力計算公式： vn PP ?? （ 46） 其中， ? 為壓力系數(shù)，查其附錄 D 可得。 ③ 參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（ GB 500072020）。認為灰斗內(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)。 灰斗在工作過程中，應(yīng)當(dāng)防止強度破壞，但更突出的問題是結(jié)構(gòu)變形問題。往往在灰斗發(fā)生強度破壞之前，其內(nèi)壁的變形已經(jīng)難以符合使用的要求。所以重點是防止結(jié)構(gòu)變形過大。 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。 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。 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。將積灰荷載分解為灰斗壁板的法向荷載和切向荷 載?；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。 分別考慮灰斗在負壓和滿載灰時結(jié)構(gòu)受力特點?；叶分袩o積灰或積灰很少時，灰斗主要受負壓 7500Pa 作用，負壓作用為灰斗壁板的法向荷載。此時除灰斗自重和灰斗下部懸掛設(shè)備外，灰斗壁板不受其他面切向荷載。 在卸灰前或者卸灰系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，積灰達到一定數(shù)量，積灰荷載為主要荷載。此時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)滿灰載時，將積灰荷載分解為灰斗板的法向荷載荷切向荷載。參考《鋼 筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》 ??? 2c ossin21 SkPh ? （ 48） )s in21(c os21 2 ??? kSkPv ?? （ 49） 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 21 其中 )2/45(tan 02 ???k ， k 為側(cè)壓力系數(shù)； ? 灰塵重力密度， 3/mN ； ? 灰塵內(nèi)摩擦角，度； h計算深度處物料厚度，ｍ； ? 灰斗壁板與水平面的夾角，度 式中取 ? =16000 3/mN 灰塵內(nèi)摩擦角 030?? 灰斗壁板與水平面的夾角? 即為錐角的余角。 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。由于 k 是小于 1 的數(shù)，因此夾角越大，只越大。 本論文中根據(jù)公式計算出灰斗底部壁板的法向切和 根據(jù)公式計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。 參照《 ANSYS 分析實例集》在任意面施加任意方向任意變化的壓力的方法，首先選中要加載的面，然后選中面上的單元，并獲取最大與最小單元編號，將力的施加方式設(shè)置為 累加 ，獲得豎直方向投影面積和水平方向投影面積，輸入壓力隨坐標(biāo)變化的公式 p_e1= ? *cos? *ye+300 （其中 300M Pa 是保溫層的壓力） p_e2,=? *k*sin? *ye 然后計算出面上的總應(yīng)力，再把總應(yīng)力施加在每一個單元上 。 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)強度要求改進結(jié)構(gòu)。 橫向加強筋參數(shù)見 表 。模型中自上向下，加強筋 1,2,4,5 為角鋼， 3 為槽鋼。所有加強筋角鋼的長肢水平放置；每 根 加 強 筋 的 距 離 都 是 灰 斗 的高 5000/6mm,即將灰斗六等分施加加強筋。 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 ，遠遠超出了材料的許用應(yīng)力， 結(jié)構(gòu) 需要改進。改進一，加縱向加強筋。第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進 24 第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進 模型二 加縱向加強筋 如圖 51。 圖 51 模型二 圖 52 第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進 25 圖 53 加縱向加強筋后，最大應(yīng)變?yōu)?，最大應(yīng)力為 ，灰斗的應(yīng)力有了較明顯的減小，但仍然超出了材料的許用應(yīng)力范圍，仍需改進。 模型三 頂面四周加扁鋼，扁鋼寬 120mm，扁鋼厚 12mm。底面加法蘭加強筋（角鋼），錐面交界處加加強鋼板 ,加強鋼板寬 100mm，加強鋼板厚 10mm。 移動縱向加強筋的位置 （各為 150mm） ，避免交于一點以緩解應(yīng)力集中 ，如圖 54 所示 。 圖 54 模型三 第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進 26 圖 55 圖 56第五章 灰斗結(jié)構(gòu)的改進 27 圖 57 第二次改進后的模型，最大應(yīng)變?yōu)?，最大應(yīng)力為 112mp?；叶返慕Y(jié)構(gòu)過于保守，有很大的優(yōu)化空間。在灰斗應(yīng)力分布中，這些加強筋消耗的材料很多，如果能夠減少它們的數(shù)量，將極大提減小 灰斗重量?？梢酝ㄟ^減小加強筋橫截面，進而減少灰斗重量。 第六章 灰斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 28 第六章 灰斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 定義約束條件 在進行參數(shù)化分析或優(yōu)化分析之前，必須定義所選好模型的約束條件，包括模型剛度，強度方面的要求，以及變量的優(yōu)化范圍等。 許用應(yīng)力約束 : σ max≤ σ s/[n] （ 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)大量試驗和工程實踐結(jié)果，一般機械設(shè)計制造中，靜載荷條件下塑性材料安全系數(shù) ,可取為 ~。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。 剛度變形約束 : △ lmax≤ [△ l] （ 62） 式中 : [△ l]表示 材料許用最大變形 。 殼體變形要求：板：短邊的 1/150；在灰斗中變形主要是在灰斗的中間部位，暫且取板邊長為 2m,變形就為 。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。 對灰斗優(yōu)化設(shè)計問題，我們首先應(yīng)對優(yōu)化設(shè)計任務(wù)進行詳細分析，收集有關(guān)資料，搞清所優(yōu)化的機械產(chǎn)品應(yīng)達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。應(yīng)該根據(jù)所掌握的資料，制定出所應(yīng)達到的目標(biāo) 。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，灰斗的零部