基于ANSYS對袋式除塵器灰斗結構的設計與優(yōu)化

1、 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR（20062010年）題 目 基于ANSYS對袋式除塵器灰斗結構的設計與優(yōu)化學 院： 系 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 副教授 起訖日期： 2010.3-2010.6 南 昌 大 學學士學位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(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

2、。作者簽名： 日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不保密。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：摘要基于ansys對袋式除塵器灰斗結構的設計與優(yōu)化專 業(yè)： 學 號：姓 名： 指導教師： 摘要袋式除塵器作為一種高效氣體除塵設備得到越來越廣泛的應用。隨著鋼材價格的上漲，除塵

3、器本體鋼結構的結構合理性的問題較為突出，而對除塵器本體鋼結構的研究卻明顯不足。本文對大型袋式除塵器的灰斗結構進行了應力和應變分析。通過有限元分析軟件ANSYS，對灰斗進行殼體建模，網格參數(shù)化，載荷及材料屬性參數(shù)化等以有限元分析結果為依據對灰斗進行優(yōu)化時，采用了基于整體對各個部件分步進行優(yōu)化的方法。優(yōu)化結果顯示，灰斗總質量與優(yōu)化前比，減少了17.6%，整體優(yōu)化效果明顯。本文工作為大型袋式除塵器結構的設計、計算和優(yōu)化提供了參考依據，對建立其高效率高精度的分析設計方法具有重要意義。關鍵詞：ANSYS；結構優(yōu)化；有限元分析；參數(shù)化建模；袋式除塵器；灰斗 55AbstractAnalysis and O

4、ptimization of pluse fabric filter Bucket Structural Which Based On AnsysAbstractWith 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

5、 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 de

6、sign some direction to economize steels & manufacture departments so that preferable economic benefit would appear. Through finite element analysis software ANSYS, the shell of the ash bucket for modeling, the parameters of the grid, load and material properties such as the parameters of finite

7、element analysis based on the results of optimization of the ash bucket using a whole based on the various parts of the sub-optimize the step-by-step approach. Optimization results showed that the total mass of ash bucket 4118.3Kg reduced to 3392.6Kg, saving material 725.7Kg, optimizing the overall

8、effect.In this paper, bag filter for the large-scale structure of the design, calculation and optimization provides a reference for the establishment of its highly efficient design of high-precision analysis method of great significance.Keywords: ANSYS；Structure optimization；Finite element analysis；

9、Parametric Modeling ；Bag filter；dust pot 目錄目錄摘要IAbstractII目錄III第一章 概述11.1研究目的與意義11.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.3本課題研究內容31.4本課題研究方案31.5研究目標與主要特色3第二章 袋式除塵器簡介42.1袋式除塵器簡介42.2袋式除塵器的過濾機理42.3脈沖式袋式除塵器工作原理62.4袋式除塵器分類62.5脈沖袋式除塵器本體鋼結構組成8第三章 ANSYS軟件與有限元思想簡介93.1ANSYS軟件介紹93.2有限元法103.2.1有限元思想簡介103.2.2有限元法求解步驟113.3參數(shù)化建模113.4 A

10、NSYS的優(yōu)化設計123.4.1 ANSYS優(yōu)化設計思想123.4.2優(yōu)化過程13第四章 袋式除塵器灰斗結構分析164.1灰斗的結構形式164.2灰斗的殼體建模分析174.3灰斗基本參數(shù)174.4灰斗殼體模型的基本設定（按順序）174.4.1定義單元格174.4.2材料屬性定義184.4.3網格劃分184.4.4施加約束194.4.5施加灰斗載荷194.4.6荷載計算方法194.5灰斗殼體模型的建立與分析214.5.1模型一21第五章 灰斗結構的改進245.1模型二245.2模型三25第六章 灰斗結構的優(yōu)化286.1定義約束條件286.2定義設計變量286.3優(yōu)化過程296.3.1優(yōu)化灰斗厚度

11、296.3.2優(yōu)化縱向角鋼尺寸316.3.3優(yōu)化橫向角鋼376.3.4再優(yōu)化426.3.5最終優(yōu)化46第七章 結論48參考文獻49致謝51第一章 概述第一章 概述1.1研究目的與意義近年來，我國袋式除塵器有了長足的進步，主機、濾料、自動控制和應用技術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、方便維修方面達到一個新的高度。但是，我國目前除塵器結構設計水平與國外最新發(fā)展水平相比，還存在相當?shù)牟罹?，尤其在本體結構設計方面，一些薄弱環(huán)節(jié)需要研究、改進和提高，問題主要表現(xiàn)在以

12、下兩個方面。耗鋼量。袋式除塵器從小型單室結構發(fā)展到大型多室結構，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。而除塵器本體較少采用計算機優(yōu)化設計，選材隨意、結構笨重，缺乏創(chuàng)新意識。有相當一批除塵器產品的耗鋼量指標超過90 kg/，遠遠落后于國外先進水平。因此，優(yōu)化除塵器結構，降低耗鋼量已成為袋式除塵器技術進步的一個重要方面。安全問題。袋式除塵器本體是鋼結構，涉及到結構安全問題。節(jié)約用材和結構安全，是一對很難調和的矛盾。武斷地降低耗鋼量，使結構變得輕巧，可能帶來結構安全隱患；盲目地追求結構安全，提高結構重量，可能造成大量浪費。所以，針對不同規(guī)格除塵器結構的安全隱患和薄弱點，研

13、究結構變形規(guī)律及其控制技術、熱應力消除技術及其補償措施，以及除塵器結構優(yōu)化設計方法，開發(fā)基于ANSYS的袋式除塵器結構優(yōu)化設計計算軟件，以及結構模塊化、快裝化計算機仿真，方便、快捷地實現(xiàn)除塵器結構的優(yōu)化設計及計算，在節(jié)約鋼材與結構安全之間找到一個平衡點非常有必要。在滿足工藝條件的情況下，對除塵器的本體鋼結構進行優(yōu)化，降低用鋼量，是降低除塵器成本，提高市場競爭力的有效辦法。1.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢近半個世紀以來,我國的經濟高速發(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,但加快經濟發(fā)展的同時,工業(yè)生產所產生的粉塵、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

14、。隨著我國環(huán)保法規(guī)的日益嚴格,除塵器得到越來越廣泛的應用。袋式除塵器自1881年問世至今,已經得到很大發(fā)展。目前袋式除塵器的應用數(shù)量約占各類除塵器總量的60%70%,這主要得益于濾料的發(fā)展、清灰技術的進步以及運行控制的逐步現(xiàn)代化。袋式除塵器主機脈沖袋式除塵器大型化的趨勢明顯，性能達到國際先進水平。上鋼五廠新建100噸電爐采用這種設備處理風量96.7萬m3/h，排塵濃度為812mg/m3，設備阻力低于1200Pa，噴吹壓力0.2MPa，清灰周期長達75min，運行三年多，濾袋和脈沖閥膜片尚未破損，過濾面積為11716m2。隨后建設的一批超高功率電爐也都競相采用大型脈沖袋式除塵器。近幾年，煉鋼轉爐

15、的二次煙塵治理多采用大型脈沖，其中最大的過濾面積達15880m2，處理風量150萬m3/h，其經濟、社會和環(huán)境效益都明顯好于以往。袋式除塵器在適應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，并達標排放。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。例如以長袋脈沖袋式除塵器的核心技術為基礎，強化過濾、清灰和安全防爆功能，形成高濃度煤粉收集技術，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)推廣應用。實測入口濃度675879g/m3，排塵濃度0.5912.2mg/m3，效益顯著并杜絕了污染。袋式除塵器用濾料、濾袋耐高溫濾料多樣化，

16、除了諾梅克斯、美塔斯外，P84，萊登（RrTUN）濾料的應用越來越多。特氟綸濾料已有少量應用。由微細玻璃纖維與耐高溫P84等化學纖維復合，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)已有不少成功的應用。玻纖濾料在增強其抗折、耐磨性等方面獲得進展，去年還開發(fā)成功了專門適用于垃圾焚燒的玻纖濾料。在凈化180280 的煙氣時，人們有了更多的選擇余地。針刺氈的后處理技術多樣化，原來較少應用的防油、防水、阻燃、抗水解等處理日漸普遍，使針刺氈濾料能適應多種復雜環(huán)境，應用更為廣泛。表面過濾材料的出現(xiàn)和應用，是更為積極的進步，連袋式除塵的機理都有所變化。它對微細粉塵有更高的捕

17、集率，并將粉塵阻留于濾料表面，容易剝離，使設備阻力降低。現(xiàn)有三種實現(xiàn)表面過濾的途徑：在普通濾料表面復以聚四氟乙烯薄膜；復以具有大量微孔的涂層；以超細纖維在針刺氈表面形成超細面層。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，工控機（IPC）也已進入這一領域。中、小型設備多采用單片機或集成電路為核心的控制技術。自控系統(tǒng)普遍加強了自身的抗干擾性能，在供電電壓波動，粉塵侵擾等不利條件下，不少產品都能可靠運行。自控系統(tǒng)的功能更為齊全，對清灰進行程控，自動檢測除塵設備和系統(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）進行顯示。對各控制參數(shù)的調節(jié)更加方便。由于大型袋

18、式除塵器的體積龐大,結構復雜,傳統(tǒng)的設計方法是對其結構進行較大的簡化后利用材料力學作簡單的校核計算,因此往往造成基礎參數(shù)和安全系數(shù)選擇較大,結構尺寸參數(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,而且設計周期長,不能快速響應客戶需求。所以,有必要采用更科學的設計方法,建立帶式除塵器關鍵結構的模型,利用先進的有限元分析軟件ANSYS對其進行強度分析,合理確定各構件的尺寸,得出最優(yōu)的結構模型。這樣對袋式除塵器灰斗結構優(yōu)化改進，能有效地提高其設計技術水平。1.3本課題研究內容利用ANSYS軟件建立了灰斗的殼體模型,基于整體結構設定邊界條件,定義約束,進行有限元靜力分析計算。分析主要研究

19、了灰斗結構的位移、應力、應變等分布情況,結論認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。優(yōu)化結果顯示,灰斗結構優(yōu)化效果明顯。利用優(yōu)化結果對模型更新,再進行分析證明了優(yōu)化結果的合理性和可靠性。 論文可為設計制造部門起到較好指導作用,以便節(jié)約鋼材,減低成本,以產生顯著的經濟效益。1.4本課題研究方案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行結構分析。研究袋式除塵器灰斗結構在承受載荷作用下的最大應力及變形。利用有限元分析軟件ANSYS對大型袋式除塵器的灰斗結構進行分析。研究袋式除塵器灰斗在結構優(yōu)化后的應力及變形，與其材料所能承受的最大應力極限相比較，從而判斷

20、袋式除塵器結構是否滿足強度、剛度要求。1.5研究目標與主要特色通過對袋式除塵器灰斗結構的參數(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構要求的情況下達到最優(yōu)的結構和達到最經濟的效果。用先進的大型的計算機輔助設計及有限元分析軟件(我將應用ANSYS軟件)，對其結構進行優(yōu)化設計，以獲得合理的結構設計參數(shù)，為規(guī)范大型除塵器的設計和生產提供重要理論依據。第二章 袋式除塵器簡介第二章 袋式除塵器簡介2.1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備。濾袋的材質是天然纖維、化學合成纖維、玻璃纖維、金屬纖維或其他材料。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

21、、波紋形或菱形等。用濾袋進行過濾與分離粉塵顆粒時，可以讓含塵氣體從濾袋外部進入到內部，把粉塵分離在濾袋外表面，也可以使含塵氣體從濾袋內部流向外部，將粉塵分離在濾袋內表面。含塵氣體通過濾袋的分離與過濾完成除塵過程。袋式除塵器的突出優(yōu)點是除塵效率高，屬高效除塵器，除塵效率一般大于99%。運行穩(wěn)定，不受風量波動影響，適應性強，不受粉塵比電阻值限制。因此，應用中備受青睞。他的應用數(shù)量約占各類除塵器總量的60%70%。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，利用脈沖噴吹機構在瞬間釋放出壓縮空氣，誘導數(shù)倍的二次空氣高速射入濾袋，使濾袋急劇膨脹，依靠沖

22、擊振動和反向氣流而清灰的袋式除塵器。脈沖噴吹型袋式除塵器的濾袋是懸掛在花板上的，含塵煙氣從濾袋的側向進入，流過濾袋周圍，并由濾袋外側進入濾袋內。濾袋內側有支撐的骨架，防止濾袋癟塌，煙塵附著在濾袋的外層。脈沖的高壓空氣通過開口濾袋的頂端噴入袋內，引起濾袋外側的煙塵脫落。大型脈沖袋式除塵器有離線清灰和在線清灰兩種方式。由于脈沖噴吹型袋式除塵器具有噴吹效果好、設備運行可靠、除塵效率高、阻力小等優(yōu)點，使得脈沖除塵器成為當今袋式除塵器特別是大型脈沖袋式除塵器的主流和發(fā)展趨勢。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。噴吹氣源氣壓為低于0.4MPa者稱為低壓噴吹;噴吹氣源壓力高于0.

23、4MPa者稱為高壓噴吹。脈沖噴吹袋式除塵器是一種高效除塵凈化設備，具有清灰效果好、凈化效率高、處理氣量大、濾袋壽命長、維修工作量小、運行安全可靠、自動化程度高等優(yōu)點，屬于強清灰的除塵器。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。2.2袋式除塵器的過濾機理袋式除塵器的除塵過程主要是由濾袋完成的。濾袋是各種濾料纖維織造后縫制而成。過濾機理取決于濾料和粉塵層多種過濾效應。它的工作機理是粉塵通過濾布時產生的篩分、慣性、黏附、擴散和靜電等作用而被捕集。篩分作用含塵氣體通過濾布時，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

24、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。只有在使用一定時間后，在濾布表面建立了一定厚度的粉塵層，篩分作用才比較顯著。清灰后，由于在濾布表面以及內部還殘留一定量的粉塵，所以仍能保持較高的除塵效率。對于針刺氈或起絨濾布，由于氈或起絨濾布本身構成厚實的多孔濾層，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。慣性作用含塵氣體通過濾布纖維時，氣流繞過纖維，而大于的粉塵由于慣性作用仍保持直線運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。過濾氣速越高，慣性作用也越大，但氣速太高，通過濾布的氣量也增大，氣流會從濾布薄弱處穿破，造成除塵效率降低。氣速越高，穿

25、破現(xiàn)象越嚴重。擴散作用當粉塵顆粒在0.2以下時，由于粉塵極為細小而產生如氣體分子熱運動的布朗運動，增加了粉塵與濾布表面的接觸機會，使粉塵被捕集。這種擴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。以玻璃纖維為例，纖維越細除塵效率越高。但纖維直徑細的壓力損失要比粗的纖維大，耐蝕性也越細越差。黏附作用當含塵氣體接近濾布時，細小的粉塵仍隨氣流一起運動，若粉塵的半徑大于粉塵中心到濾布邊緣的距離時，則粉塵被濾布粘附而被捕集。濾布的空隙越小，這種粘附作用也越顯著。靜電作用粉塵顆粒間相互撞擊會放出電子產生靜電，如果濾布是絕緣體，會使濾布充電。當粉塵和濾布所帶的電荷相反時，粉塵就被吸附

26、在濾布上，從而提高除塵效率，但粉塵清除較難。反之，如果兩者所帶的電荷相同，則產生斥力，粉塵不能吸附到濾布上，使除塵效率下降。所以，靜電作用能改善或妨礙濾布的除塵效率。為了保證除塵效率，必須根據粉塵的電荷性質來選擇濾布。一般靜電作用只有在粉塵粒徑小于1以及過濾氣速很低時才顯示出來。在外加電場的情況下，可加強靜電作用，提高除塵效率。2.3脈沖式袋式除塵器工作原理圖2-1 袋式除塵器剖面圖在脈沖噴吹袋式除塵器的運行過程中含塵氣體由塵氣進口進入箱體，由濾袋外部進入內部，由下向上，進入潔凈室中，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管排出。當除塵器壓差達到一定數(shù)值或者過濾持續(xù)一定

27、時間，清灰閥將控制脈沖高壓氣體沿噴吹管從噴孔中高速噴出，高速氣流與它所引起的誘導氣流進入濾袋中，使濾袋急劇膨脹、收縮，使濾袋產生沖擊振動，同時氣流由內向外噴出，使附著在濾袋外表面的粉塵脫落，被灰斗所收集。積累到一定量，由灰斗底部排出。2.4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、濾袋形狀，清灰方式、箱體結構等方面也不斷更新發(fā)展。在除塵器中，袋式除塵器的類型最多，根據其特點可進行不同的分類。按除塵器的結構形式分類袋式除塵器的示意結構簡圖2-2。 圖2-2除塵器的分類，主要是依據其結構特點，如濾袋形狀、過濾方向、進風口位置以及清灰方式進行分類。1.按濾袋形狀分類：

28、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。（1）圓袋式除塵器。圖2-2中，b、c、d、e均為圓袋式除塵器，濾袋形狀為圓筒形，直徑一般為120300，最大不超過600mm,高度為2 3m，也有10m以上的。由于圓袋的支撐骨架及連接較簡單，清灰容易，維護管理也比較方便，所以應用非常廣泛。（2）扁袋式除塵器。圖2-2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2550mm，高度為0.61.2m,深度為300500。最大的優(yōu)點是單位容積的過濾面積大，但由于清灰，檢修、換袋較復雜，使其廣泛應用受到限制。2.按過濾方向分類：按過濾方向分類，可分為內濾式除塵器和外濾式除塵器兩類。（

29、1）內濾式袋式除塵器。圖2-2中c、e為內濾式袋式除塵器，含塵氣流由濾袋內側流向外側，粉塵沉積在濾袋內表面上，優(yōu)點是濾袋外部為清潔氣體，便于檢修和換袋，甚至不停機即可檢修。一般機械振動、反吹風等清灰方式多采用內濾形式。（2）外濾式袋式除塵器。圖2-2中b、d為外濾式袋式除塵器，含塵氣流由濾袋外側流向內側，粉塵沉積在濾袋外表面上，其濾袋內要設支撐骨架，因此濾袋磨損較大。脈沖噴吹，回轉反吹等清灰方式多采用外濾形式。扁袋式除塵器大部分采用外濾形式。3.按進氣口位置分類：按進氣口位置分類，可分為下進風袋式除塵器和上進風袋式除塵器兩類。（1）下進風袋式除塵器。圖2-2中b、c為下進風袋式除塵器，含塵氣體

30、由除塵器下部進入，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，容易帶出部分微細粉塵，降低了清灰效果，增加了阻力。下進風式除塵器結構簡單，成本低，應用較廣。（2）上進風袋式除塵器。圖2.1中d、e為上風袋式除塵器，含塵氣體的人口設在除塵器上部，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，設備阻力也可降低1530。4.按除塵器內的壓力分類：按除塵器內的壓力分類，可分為負壓式除塵器和正壓式除塵器兩類。（1）正壓式除塵器。正壓式除塵器，風機設置在除塵器之前。除塵器在正壓狀態(tài)下工作，由于含塵氣體先經過風機，對風機的磨損較嚴重，因此

31、不適用于高濃度、粗顆粒、高硬度、強腐蝕性的粉塵。（2）負壓式除塵器。負壓式除塵器，風機置于除塵器之后，除塵器在負壓狀態(tài)下工作，由于含塵氣體經凈化后再進入風機，因此對風機的磨損很小，這種方式采用較多。2.5脈沖袋式除塵器本體鋼結構組成本文以單排單側風道式脈沖袋式除塵器為例來說明除塵器本體鋼結構的組成。下文所出現(xiàn)的除塵器均指單排單側風道式脈沖袋式除塵器。除塵器結構主要由下框架、中箱體(慮袋室)、風道、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?？蚣苤С姓_除塵器自重和其他相關荷載，下框架橫梁同時也是中箱體的底圈梁；下框架多采用帶支撐的鋼框架結構?；叶肥占贿^濾下來的粉塵，

32、到一定程度將粉塵由灰斗口排出;灰斗為板肋結構，懸掛于下框架頂梁，灰斗頂平面有剛度很強的水平支撐，跨距較大時，灰斗內部也可加水平支撐。中箱體用來圍護濾袋所處的空間;中箱體為鋼框架加圍護板結構，圍護板主要承受負壓作用，中箱體柱主要承受其上部設備的自重荷載和相關活荷載，同時承受圍護板傳遞的荷載。含塵氣體經濾袋過濾后進入潔凈室，經提升閥箱體進入風道;上箱體內設置有噴吹裝置;上箱體為鋼框架加維護板結構，底板為花板，用來懸掛濾袋，頂板為檢修門框和檢修門;上箱體主要承受濾袋、龍骨自重及積灰荷載和上箱體上部設備荷載以及其他相關活荷載;上箱體同時也相當于中箱體的上圈梁。風道中部布置有通長的斜隔板，斜隔板下方為含

33、塵氣體進入通道，斜隔板上方為潔凈氣體排出通道;風道結構和受力基本與中箱體相同，只是每個跨間不再有鋼板分隔， 如圖2-3?；叶肥浅龎m器的重要部件，對除塵器的影響很大，通過分析灰斗的結構并進行優(yōu)化來改進除塵器的本鋼結構。本文選取了袋式除塵器的典型結構灰斗進行分析研究。 圖2-3第三章 ANSYS軟件與有限元思想簡介第三章 ANSYS軟件與有限元思想簡介3.1ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是融結構、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。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)。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據的共享和交換，如Pro/Engineer, NAST

34、RAN, Alger, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產品設計中的高CAD工具之一。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。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、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。后處理模塊可將計算結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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、

35、曲線形式顯示或輸出。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構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。前處理模塊主要實現(xiàn)3種功能：參數(shù)定義、實體建模與網格劃分。前處理用于定義求解所需的數(shù)據。用戶可以選擇坐標系統(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行網格劃分、控制節(jié)點和單元、以及定義耦合和約束方程。在ANSYS程序中，坐標系統(tǒng)用于定義空間幾何結構的位置、節(jié)點自由度的方向，材料特性的方向。程序中可用的坐標系類型有笛卡爾坐標系、柱坐標系、球坐標系及環(huán)坐標系。所有這些坐標系均

36、能在空間的任意位置和任意方向設置。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程序提供了3種不同的建模方法：模型導人、實體建模及直接生成。每種方法有其獨特的特點和優(yōu)點。用戶可以選擇其一或其組合來建立實體模型。ANSYS系統(tǒng)的網格劃分功能十分強大，使用便捷。從使用選擇的角度來說，網格劃分可分為系統(tǒng)智能劃分與人工選擇劃分2種。從網格劃分的功能來說，則包括4種劃分方式：延伸劃分、映像劃分、自由劃分與自適應劃分；延伸劃分是將1個二維網格延伸成1個三維網格；映像劃分是將一個幾何模型分解成幾部分，然后選擇合適的單元屬性與網格控制，分別劃分生成映像網格；自

37、由劃分由ANSYS程序提供的網格自由劃分器來實現(xiàn)，這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中網格不匹配帶來的問題；自適應劃分是在生成具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動產生有限元網格，并分析、估計網格的離散誤差，再重新定義，直至誤差低于用戶定義的值。在前處理階段完成建模及網格劃分后，用戶在求解階段，通過求解器獲得分析結果。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，然后開始有限元求解。ANSYS提供的直接求解器可以計算出線性聯(lián)立方程組的精確解。ANSYS程序還提供了一個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。由于稀疏矩陣求解器基于方程的直接消去，因而可以容易地

38、處理病態(tài)矩陣。對于接觸狀態(tài)可改變拓撲結構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構做任何分析，該求解器都較為適用。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果并對這些結果進行運算，這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等。輸出形式有圖形顯示和數(shù)據列表2種。交互式后處理過程中，圖形可聯(lián)機輸出到顯示設備上，也可以脫機輸出到繪圖儀上。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，故求解結果已存于數(shù)據庫且能立即查看。后處理訪問數(shù)據集的方法有2種，一是用通用后處理器POST1來查看整個模型或選定的部分模型

39、在某一時間步的結果?？梢垣@得等值線顯示、變形形狀以及檢查與解釋分析的結果和列表，也提供許多其它功能。另一種是用時間歷程后處理器POST26來查看模型的特定點在所有時間步內的結果，可獲得結果數(shù)據對時間或頻率關系的圖形曲線與列表，還能從時間歷程結果中生成譜響應。當數(shù)據從結果文件讀出后，數(shù)據存于ANSYS程序數(shù)據庫，使用交互方式可以很方便地進行數(shù)據庫操作并立即提供結果圖形和結果列表。通過切片功能可以獲得所分析模型在任何平面的結果。3.2有限元法3.2.1有限元思想簡介有限單元法(finite element method, FEM)屬于力學分析中的數(shù)值法，起源于航空工程中的矩陣分析，它是把一個連續(xù)的

40、介質(或構件)看成是由有限數(shù)目的單元組成的集合體，在各單元內假定具有一定的理想化的位移和應力分布模式，各單元間通過節(jié)點相連接，并藉以實現(xiàn)應力的傳遞，各單元之間的交接面要求位移協(xié)調，通過力的平衡條件，建立一套線性方程組，求解這些方程組，便可得到各單元和結點的位移、應力。簡言之，就是化整為零分析，積零為整研究。有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。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系統(tǒng)。3.2.2有限元法求解步驟有限單元法的解題思路可簡述為:從結構的位移出發(fā)，通過尋找位移和應變，應變與應力，應力與內力，內力與外力的

41、關系，建立相應的方程組，從而由已知的外力求出結構的內應力和位移。有限元法的分析過程，概括起來主要分為以下四步：結構離散化：將求解區(qū)域分割成許多具有某種特征的單元，對于連續(xù)需考慮選擇單元的形狀、數(shù)目和剖分方案，計算出各節(jié)點的坐標，并對單元和節(jié)點編號。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。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)點載荷，這樣就可以采用力學的變分原理，獲得單元的平衡方程組。要達到這一目的，關鍵在于建立單元內節(jié)點位移與節(jié)點力的關系矩陣剛度矩陣。建立整體矩陣方程：將各單元的剛度矩陣集合成整

42、體剛度矩陣:各點單元的等效節(jié)點載荷向量集合成總的載荷向量，把整體結構的各單元矩陣方程合并成一個整體矩陣方程。整體矩陣方程求解：引入約束條件，對結構的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點的位移，進而計算出節(jié)點的應力和應變。由于計算復雜，運算工作量大，往往要通過高性能電子計算機才能完成。3.3參數(shù)化建模參數(shù)化設計是當前CAE技術的重要研究領域之一，它是指設計對象的結構形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關系，參數(shù)與設計對象的控制尺寸有顯然的對應，設計結果的修改受尺寸驅動的影響，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)尺寸驅動。這些幾何尺寸將以設計參數(shù)的形式保存在造型系統(tǒng)中，并生

43、存于模型設計的全過程，不僅為設計對象的幾何特征提供了精確的數(shù)值描述，更重要的是，它為設計師提供了一種模型控制的手段，它與形狀優(yōu)化中的設計變量是一致的。以下為參數(shù)化設計的幾種基本方法：代數(shù)法 人工智能法。直接操作法 語言描述法 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，設計參數(shù)的作用范圍是幾何模型，但若進行有限元分析計算，需要將其導入有限元分析軟件，轉化為有限元模型才行。但這樣依然不能為后續(xù)的分析優(yōu)化程序所用。因此，如果希望以幾何模型中的設計參數(shù)作為形狀優(yōu)化的設計變量，就必須將設計參數(shù)的作用范圍延拓至有限元模型，使有限元模型能夠根據設計變量的變化，實現(xiàn)有限元模型的參數(shù)化，即必須基于有限元

44、軟件平臺建立參數(shù)化模型，包括：幾何模型的參數(shù)化、網格的參數(shù)化及邊界條件參數(shù)化。本論文即采用該方法進行參數(shù)化建模。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有力的工具。有限元分析的標準過程包括：定義模型及其載荷、求解和解釋結果。假如求解結果表明有必要修改設計，就必須改變模型的幾何形狀及其它參數(shù)并重復上述步驟，特別當模型較復雜或修改較多時，這個過程會很復雜和費時。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程。3.4 ANSYS的優(yōu)化設計3

45、.4.1 ANSYS優(yōu)化設計思想傳統(tǒng)的結構設計方法是設計人員根據經驗和判斷提出設計方案，隨后用力學理論對給定的方案進行分析、校核。若方案不滿足約束限制，人工調整設計變量，重新進行分析、校核，直到找到一個可行方案，即滿足各種條件限制的方案。這個設計過程周期長、效率低，并且得到的結果僅是可行方案，多數(shù)不是最優(yōu)設計。 傳統(tǒng)的方法無論是分析還是設計都存在大量的簡化和經驗，準確性差。 現(xiàn)代結構優(yōu)化（亦稱結構綜合），主要指數(shù)值結構優(yōu)化或計算結構優(yōu)化，其研究內容是把數(shù)學規(guī)劃理論與力學分析方法結合起來，以計算機為工具，建立一套科學的、系統(tǒng)的、可靠而又高效的方法和軟件，自動地改進和優(yōu)化受各種條件限制的承載結構設

46、計。隨著計算機的發(fā)展，結構分析能力和手段的不斷完善，數(shù)學尋優(yōu)技術的提高，結構優(yōu)化已成為計算力學中員活躍的分文之一，其研究已有很多綜述報道。研究的范圍十分廣泛，從研究層次上看可有尺寸優(yōu)化問題、形狀優(yōu)化問題及材料選擇、拓撲優(yōu)化問題；從問題的復雜程度看已經從簡單的桁架設計發(fā)展到梁、板、殼等多種復雜元素的結構設計；設計變量有連續(xù)性、離散性；約束從最初的應力、位移發(fā)展到穩(wěn)定、動力特性等。隨著對工程設計概念例如可靠性設計、模糊設計等不確定性的因素的認識，相應的優(yōu)化模型也已提出，基于可靠性概念的優(yōu)化設計，結構模糊優(yōu)化；目標函數(shù)有單目標、多目標等；目前在航空航天領域考慮控制因素的結構優(yōu)化問題。結構優(yōu)化有三個基

47、礎：一是計算機技術；二是結構分析的方法；三是數(shù)學規(guī)劃的理論。計算機的技術經過幾十年的發(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，為結構分析與優(yōu)化提供了越來越好的實現(xiàn)環(huán)境。結構分析主要采用有限元分析方法，有限元比結構優(yōu)化略早，幾乎是同時發(fā)展的，但有限元方法相當完美的變分原理理論基礎及其良好的數(shù)值性質使它很快地被工程界所接受，并廣泛應用，現(xiàn)已成為結構力學等領域主要的分析工具。ANSYS的優(yōu)化設計功能使其在有限元分析軟件中獨領風騷，堪稱一絕。眾所周知，所謂“最優(yōu)設計”是指一種方案可以滿足所有設計要求，而且所需的支出（如重量，面積，體積，應力，費用等）最小。也就是說，最優(yōu)設計方案是一個最有

48、效的方案。設計方案的任何方面都可以優(yōu)化的，比如說：尺寸，形狀，支撐位置，制造費用，頻率，材料特性等。實際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項都可以作優(yōu)化設計。一個合理的設計是指滿足所有給定的約束條件（設計變量的約束和狀態(tài)變量的約束 ）的設計。如果其中任一約束條件不被滿足，設計就是被認為是不合理的。最優(yōu)設計是既滿足所有的約束條件又能得到最小目標函數(shù)值的設計。ANSYS中的設計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)總稱優(yōu)化變量。在ANSYS中這些變量是由用戶定義的參數(shù)來指定的。設計變量（DVS），優(yōu)化結果的取得就是通過改變設計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的，每個設計變量都有上下限，它定義了設計變量的變化范圍。ANSYS優(yōu)化程

49、序允許定義不超過60個設計變量。狀態(tài)變量（SVS）是約束設計的數(shù)值，它們是“因變量”，是設計變量的函數(shù)。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)化程序中用戶可以定義不超過100個狀態(tài)變量。目標函數(shù)是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設計變量的函數(shù)，也就是說，改變設計變量的數(shù)值將改變目標函數(shù)的數(shù)值。在ANSYS優(yōu)化程序中，只能設定一個目標函數(shù)。3.4.2優(yōu)化過程優(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。優(yōu)化方法也稱數(shù)學規(guī)劃，是用科學方法和手段進行決策及確定最優(yōu)解的數(shù)學。優(yōu)化設計:根據給定的設計要求和現(xiàn)有的技術條件，應用專業(yè)理論和優(yōu)

50、化方法，在計算機上從滿足給定的設計要求的許多可行方案中，按照給定的指標自動地選出最優(yōu)的設計方案。優(yōu)化設計的一般過程可以用下圖3-1來表示。 圖3-1對一個實際機械優(yōu)化設計問題，我們首先應對優(yōu)化設計任務進行詳細分析，收集有關資料，搞清所優(yōu)化的機械產品應達到什么樣的性能要求，并要綜合考慮產品制造的工藝性、可靠性、產品的制造成本、工作條件和用戶的需求等因素。應該根據所掌握的資料，制定出所應達到的目標;確定出影響目標的獨立的設計參數(shù)(稱設計變量)例如，一個產品的零部件尺寸直接影響產品體積和外形，因此可將零部件的尺寸作為體積目標優(yōu)化的設計量。本論文中，設計變量見表6.1，狀態(tài)變量為最大應變與最大應力，目

51、標函數(shù)為灰斗結構的質量。參數(shù)設定建立參數(shù)化幾何模型局部參數(shù)化分網施加載荷及邊界條件運行計算除塵器幾何模型的合理簡化導出分析文件確定目標函數(shù)設定設計變量和狀態(tài)變量范圍選擇優(yōu)化方法優(yōu)化分析目標函數(shù)收斂滿足約束條件輸出優(yōu)化結果修改設計變量否否是是將優(yōu)化結果與原始設計進行分析對比為工程設計提出參考運用APDL語言建立參數(shù)化有限元模型運用ANSYS進行數(shù)值模擬圖3-2 ANSYS軟件建模和優(yōu)化設計的示意圖和流程第四章 袋式除塵器灰斗結構分析第四章 袋式除塵器灰斗結構分析4.1灰斗的結構形式從外形來分，灰斗主要分為錐形灰斗和船型灰斗（圖4-1）。兩種灰斗上部開口都為矩形或正方形;錐形灰斗卸灰口多為正方形，

52、船型灰斗卸灰口為狹長矩形（圖4-2）。在灰斗跨距過大時，在灰斗內部自上而下布置多層水平撐管（圖4-3）。圖4-1圖4-2圖4-3從結構上來講，灰斗由四塊梯形壁板組合，形成斗狀，再視其載荷大小，根據正常使用極限狀態(tài)下變形要求，配置橫筋和豎筋加強。灰斗屬于雙軸對稱的結構。兩種灰斗都屬于殼體結構。典型的灰斗都是板殼帶肋的結構?；叶分袩o積灰或積灰很少時，灰斗主要受負壓作用，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?；?/p>

53、斗壁板的水平加勁肋承擔相鄰壁板傳遞的水平拉力和壁板法向受壓時傳遞的彎矩;豎向加勁肋主要承受壁板法向受壓時傳遞的彎矩。壁板面內拉力主要由壁板承擔。當負壓為主要荷載時，灰斗內部水平撐管受壓;當積灰為主要荷載時，灰斗內水平撐管受拉。水平撐管有效減小了灰斗壁板的跨度。4.2灰斗的殼體建模分析灰斗為一典型的殼體結構，理論上說，按殼體模型進行分析最能反映實際情況。但由于灰斗幾何形狀復雜，經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、板構件，加勁肋之間的板按四邊簡支板計算，加勁肋則按梁來考慮。結合設計圖表，這種簡化方法可以通過手算實現(xiàn)，很容易為設計人員接受。但這種方法有一定的局限性。隨著有限元

54、軟件的不斷完善和計算機技術的不斷發(fā)展，目前采用有限單元法用板殼單元模擬結構的真實構形，對結構進行基于殼體理論的多工況分析己可以實現(xiàn)?；谏鲜龇治?，本論文中灰斗結構采用殼體建模。4.3灰斗基本參數(shù)表4.1：灰斗基本參數(shù)（單位mm）灰斗參數(shù)頂面底面高錐角5780*5720300*300500060°橫向加強筋參數(shù)橫向角鋼橫向槽鋼100*63*7140*60*8縱向加強筋參數(shù)縱向角鋼100*63*74.4灰斗殼體模型的基本設定（按順序）4.4.1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。SHELL 63單元支持應力剛化和大繞度，不支持大應變，僅能

55、通過實常數(shù)定義厚度。而SHELL181單元不僅支持應力剛化與大繞度，還支持大應變，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成的型鋼。SHELL181具備彎曲和膜的特性，能承受平面內和法線方向的荷載。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。它也具備了應力硬化和大變形能力。在大變形（有限的旋轉）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來定義。正交各向異性材料方向與單元坐標方向相對應。單元坐標系的方向正如坐標系中描述的那樣。單元的x方向可以旋轉THETA角（角度）。Beam188 單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，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KEY