（化工过程机械专业论文）大型袋式除尘器结构分析及优化.pdf

摘要 摘要 随着环境形势的日趋严峻，人们越来越重视环保问题，袋式除尘器作为一 种高效气体除尘设备得到越来越广泛的应用。目前对除尘器的研究主要集中在 工艺方面，针对除尘器本体钢结构的研究非常少。随着钢材价格的上涨，除尘 器本体钢结构的结构合理性和耗钢量问题越来越突出。 本文结合实际工程，对大型袋式除尘器的花板、箱体、灰斗进行应力和应 变分析。研究了在通过c a e ( a n s y s ) 环境下，快速实施结构实体几何和有限 元参数化建模的方法和技术途径，利用a p d l 语言建立了花板的三维实体的参 数化几何和有限元模型，实现网格参数化、载荷及材料属性参数化等。借助a p d l 语言进行二次开发编程，编制了参数化建模界面、施加载荷界面、查看计算结 果界面，绘制应力和应变分布曲线界面，加速了定制产品的研制和开发。 本文工作为大型袋式除尘器结构的设计、计算和优化提供了参考依据，对 建立其高效率高精度的分析设计方法具有重要意义。 关键词：c a e ，结构优化，有限元分析，袋式除尘器，参数化建模，a p d l a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys e v e r e e n v i r o n m e n t ，t h e r e i s g r o w i n ga t t e n t i o nt o e n v i r o n m e n t a li s s u e s a sa h i g h l y e f f i c i e n t g a sd u s tc o l l e c t o re q u i p m e n t ，l a r g es c a l e b a gf i l t e ri su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h ec u r r e n ts t u d i e so fl a r g es c a l eb a gf i l t e r a r em a i n l yf o c u s e do np r o c e s sa s p e c t s b u tr a r e l yo ns t e e ls t r u c t u r e w i t ht h e p r i c eo f s t e e lr i s i n g ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n ds t e e lc o n s u m p t i o no fs t e e ls t r u c t u r eo f l a r g es c a l eb a gf i l t e rb e c a m ea ni n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h ew o r k sa r es t u d i e do nl a r g es c a l eb a gf i l t e rf o rt h es t r e s sa n d s t r a i na n a l y s i so ft u b e s h e e t ，h o p p e ra n df r a m ew i t ht h ea c t u a lp r o j e c t t h em e t h o df o r r a p i di m p l e m e n t a t i o no fp a r a m e t r i cm o d e l i n go fg e o m e t r ya n df i n i t ee l e m e n to f s t r u c t u r et h r o u g hau n i v e r s a lc a es o f t w a r ei sr e s e a r c h e d 3d s o l i dg e o m e t r ya n d f e mm o d e lo ft u b e s h e e ti ss e tu pt h o u g ha p d l l a n g u a g e ，as e r i e so fp a r a m e t r i cw o r k i sf i n i s h e d w h i c hi n c l u d e sp a r a m e t r i cs t r u c t u r ea n dp a r a m e t r i cm e s h i n g ，a sw e l la s p a r a m e t r i cl o a d sa n dp a r a m e t r i ca t t r i b u t i o no fm a t e r i a l s g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s w h i c hi n c l u d ep a r a m e t r i cs t r u c t u r ei n t e r f a c ea n dp a r a m e t r i cl o a d si n t e r f a c e ，a sw e l la s r e s u l t si n t e r f a c ea r e d e v e l o p e dt oc o n v e n i e n tf o ri m p l e m e n t i n go fp a r a m e t e r i z e d m o d e lt h o u g ht h er e p r o g r a mf u n c t i o no fa p d ll a n g u a g e t h ew o r ka c c e l e r a t e st h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go fas e r i e so f p r o d u c t s i ns u l t i ，t h i sp a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c eaf o rd e s i g n i n g ，c o m p u t i n g ，o p t i m i z i n go f l a r g es c a l eb a gf i l t e r , a nh e l p f u lf o rf o r m i n ga l le f f e c t i v ea n da c c u r a t ec o l l e c t o r d e s i g n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：c a e ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ， p a r a m e t r i cm o d e l i n g ，a p d l i i b a gf i l t e r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：计砷丈签字日期：n 年j ) 月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 东印吸 导师签名： 签字日期：牌l 月刃日签字日期： ，、 丫 侈明移埤 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题背景和意义 中国工业生产正处于全面发展时期，钢铁、建材、冶金、化工等行业的产 量不断提高，能源、资源的消耗巨大，环境污染日趋严重，对国家可持续发展 战略形成严重挑战。在各种环境污染中，大气的污染是较为迅速且广域的，危 害非常大。大气污染物主要分为有害气体及颗粒物，如粉尘和酸雾、气溶胶等。 而粉尘是造成大气污染的主要因素之一。随着国家经济建设的不断发展，人们 环保意识的不断增强，大气污染问题倍受关注，要求不断加强对污染物排放浓 度控制的呼声越来越高。我国在控制大气污染方面与其他部分发达国家和地区 相比还有较大差距【l 2 1 ，但国家对企业在工业生产中造成的环境污染及大气品质 破坏的监管力度，在逐年加大。 在欧美等发达国家，粉尘的排放标准是3 0 5 0 m g m 3 ，而我国当前的排放 标准【3 】才提到1 0 0 m g 所3 ，跟发达国家还有一定的差距。平均直径在2 5l am 以 下的微粒尘埃会对健康造成严重的危害。因此，控制粉尘排放，尤其是控制直径 在2 5 1 0l am 范围内的细微粉尘的排放，是中国治理大气污染、洁净空气环境 的重要问题。袋式除尘器作为一种高效除尘设备，得到越来越广的应用。但是 我国目前袋式除尘器结构设计水平与国外晟新发展水平相比，还存在相当的差 距，尤其是在本体结构设计方面，一些薄弱环节还需要研究、改进和提高。目 前，袋式除尘器设计的主要问题表现在以下两个方面。 一、装备安全问题。袋式除尘器本体是钢结构，涉及到结构安全问题。钢 结构失效主要有以下几种形式： ( 1 ) 强度破坏。主要发生在节点和连接处。花板、箱体、灰斗等都是由构 件组成的完整结构。构件之间需要有合适的连接，以便将所承受的荷载传递到 其他构件，构件之间的连接需要符合适当的规范要求。 ( 2 ) 构件失稳。结构的失稳有很大的突然性。失稳的形式主要有直杆分支 点失第一类失稳) 、直杆极值点失稳( 第二类失稳) 、薄板屈曲、有限干扰屈曲 和跳跃屈曲等。 二、耗钢量及其结构优化问题。袋式除尘器从小型单室结构发展到大型多 第1 章引言 室结构，如图11 ，过滤面积从几平方米发腱到几万平方米，规模越来越大，耗 钢量越来越多。而除尘器本体较少采用计算机优化设计，选材随意、结构笨重， 缺乏创新意识。有相当一批除尘器产品的耗钢量指标超过9 0 七g ，远远落后 于国外先进水平。因此，优化除尘器结构，降低耗钢量已成为研究袋式除尘器 的重要方向。 图1i 袋式除尘器结构示意图 1 2 国内外研究动态 大型脉冲袋式除尘器自从上个世纪5 0 年代问世以来，在国外发展很快，形 成了自己的特点。在有关大型电除尘器的主体钢结构的优化设计和精确理论计 算方面，自从上世纪5 0 年代未、6 0 年代初投入大量的人力和物力开发出具有强 大功能的大型有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 软件后，其发展更是如 火如荼，到目前阶段，一些国家对袋式除尘器的主体钢结构的优化设计和精确 理论计算有了很大进展，并逐步实现了规范化与标准化。从8 0 年代中期开始国 内才开始快速发展大型袋式除尘器的。近2 0 多年来，除尘技术取得了一些新进 展，主要反映在过滤及清灰等方面。但是设计和生产存在一些问题，特别是对 第1 章引言 大型袋式除尘器的花板结构及钢架主体结构的优化设计和精确理论计算较少。 究其原因，主要是因为我国进行袋式除尘器结构的优化设计和精确理论计算起 步较晚，注重程度不够，一些企业盲目对国外同类产品进行简单类比设计，过 于注重安全因素，对成本计算和经济效益关注不多。 计算机辅助设计( c a d ) 是当代最杰出的工程技术成就之一，它推动了几乎一 切领域的设计革命。在大力推广c a d 技术的今天，几乎所有的设计制造都离不 开有限元分析计算，进行结构优化在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重 视。 1 3 研究内容 本课题是对某设计院大型袋式除尘器进行结构设计、强度分析、稳定性分 析、结构优化。利用c a d 方法，使设计过程方便快捷，缩短设计开发的时间， 进而提高一次设计成功性。主要内容包括： a 、基于有限元法，研究大型袋式除尘器花板、箱体、灰斗结构工作特性， 分析存在的安全隐患和材料富余量较大的部位。 b 、基于有限元法，对花板、箱体、灰斗结构优化，以及箱体的稳定性能分 析。 c 、运用a p d l 语言建立花板参数化有限元模型。 d 、a p d l 参数化有限元分析程序二次开发。 1 4 技术关键 ( 1 ) 模型的合理简化。模型简化处理时，对于非关键部位的要进行简化和 省略； ( 2 ) 基于有限元参数化建模，划分网格及局部网格的参数化是重点，要有 效地控制等参单元的数量，尽可能降低计算工作量； ( 3 ) 合理确定优化设计的状态变量之约束范围； ( 4 ) 有限元软件a n s y s 的使用问题，模型及k 文件的正确修改。 1 5 拟采用的技术路线： 如下图1 2 3 第l 章引言 图1 2 拟采用的技术路线 4 建立参数化几何模型 上 t 局部参数化分网 0 施加载荷及边界条件 上 运行计算 导出分析文件 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 本章首先介绍袋式除尘器，有限元理论，然后对参数化建模、优化设计原 理以及有限元应用软件a n s y s 进行了详细说明。 2 1 袋式除尘器的特点和分类 2 1 1 袋式除尘器特点 除尘器主要特点 4 1 ： 除尘效率高，特别是对微细粉尘也有较高的除尘效率，一般可达9 9 。 如果在设计和维护管理时给予充分注意，除尘效率不难达到9 9 9 以上。 适应性强，可以捕集不同性质的粉尘。例如，对于高比电阻粉尘，采用 袋式除尘器比电除尘器优越。此外，人口含尘浓度在一相当大的范围内变化时， 对除尘效率和阻力的影响都不大。 使用灵活，处理风量可由每小时数百立方米到数十万立方米。可以做成 直接安装于室内、机器附近的小型机组，也可以作成大型的除尘器室。 结构简单，可以因地制宜采用直接套袋的简易袋式除尘器，也可采用效 率更高的脉冲清灰袋式除尘器。 工作稳定，便于回收干料，没有污泥处理、腐蚀等问题，维护简单。 应用范围受到滤料耐温、耐腐蚀性能的限制，特别是在耐高温性能方面， 目前涤纶滤料适用于1 2 0 1 3 0 ，而玻璃纤维滤料可耐2 5 0 左右。若含尘气 体温度更高时。或者采用造价高的特殊滤料，或者采取降温措施。这会使系统 复杂化，造价也高。 不适宜黏结性强及吸湿性强的粉尘，特别是含尘气体温度低于露点时会 产生结露，致使滤袋堵寒。 处理风量大时，占地面积大，造价高。 滤料是袋式除尘器中的主要部件，其造价一般占设备费用的1 0 - 1 5 左右，滤料需定期更换，从而增加了设备的运行维护费用，劳动条件也差。 5 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 2 1 2 袋式除尘器分类 现代工业的发展，对袋式除尘器的要求越来越高，因此在滤料材质、滤袋 形状，清灰方式、箱体结构等方面也不断更新发展。在除尘器中，袋式除尘器 的类型最多，根据其特点可进行不同的分判5 6 】 按除尘器的结构形式分类 袋式除尘器的示意结构简图2 1 。 瀚 a b c d e 图2 1 袋式除尘器的示意结构简图 除尘器的分类，主要是依据其结构特点，如滤袋形状、过滤方向、进风口 位置以及清灰方式进行分类。 1 按滤袋形状分类 按滤袋形状分类，可分为圆袋式除尘器和扁袋式除尘器两类。 ( 1 ) 圆袋式除尘器。图2 1 中，b 、c 、d 、e 均为圆袋式除尘器，滤袋形状 为圆筒形，直径一般为1 2 0 3 0 0 衄，最大不超过6 0 0 m m ，高度为2 3 m ，也有1 0 m 以上的。由于圆袋的支撑骨架及连接较简单，清灰容易，维护管理也比较方便， 所以应用非常广泛。 ( 2 ) 扁袋式除尘器。图2 1 中f t 是扁袋式袋式除尘器，滤袋形状为扁平形， 厚度及滤袋间隙为2 5 5 0 m m ，高度为0 6 1 2 m ，深度为3 0 0 5 0 0 衄。最大的优点 是单位容积的过滤面积大，但由于清灰，检修、换袋较复杂，使其广泛应用受 到限制。 2 按过滤方向分类 按过滤方向分类，可分为内滤式除尘器和外滤式除尘器两类。 ( 1 ) 内滤式袋式除尘器。图2 1 中c 、e 为内滤式袋式除尘器，含尘气流由 滤袋内侧流向外侧，粉尘沉积在滤袋内表面上，优点是滤袋外部为清洁气体， 6 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 便于检修和换袋，甚至不停机即可检修。一般机械振动、反吹风等清灰方式多 采用内滤形式。 ( 2 ) 外滤式袋式除尘器。图2 1 中b 、d 为外滤式袋式除尘器，含尘气流由 滤袋外侧流向内侧，粉尘沉积在滤袋外表面上，其滤袋内要设支撑骨架，因此 滤袋磨损较大。脉冲喷吹，回转反吹等清灰方式多采用外滤形式。扁袋式除尘 器大部分采用外滤形式。 3 按进气口位置分类 按进气口位置分类，可分为下进风袋式除尘器和上进风袋式除尘器两类。 ( 1 ) 下进风袋式除尘器。图2 1 中b 、c 为下进风袋式除尘器，含尘气体由 除尘器下部进入，气流自下而上，大颗粒直接落人灰斗，减少了滤袋磨损，延 长了清灰间隔时间，但由于气流方向与粉尘下落方向相反，容易带出部分微细 粉尘，降低了清灰效果，增加了阻力。下进风式除尘器结构简单，成本低，应 用较广。 ( 2 ) 上进风袋式除尘器。图2 1 中d 、e 为上风袋式除尘器，含尘气体的人 口设在除尘器上部，粉尘沉降与气流方向一致，有利于粉尘沉降，除尘效率有 所提高，设备阻力也可降低1 5 3 0 。 4 按除尘器内的压力分类 按除尘器内的压力分类，可分为负压式除尘器和正压式除尘器两类。 ( 1 ) 正压式除尘器。正压式除尘器，风机设置在除尘器之前。除尘器在正 压状态下工作，由于含尘气体先经过风机，对风机的磨损较严重，因此不适用 于高浓度、粗颗粒、高硬度、强腐蚀性的粉尘。 ( 2 ) 负压式除尘器。负压式除尘器，风机置于除尘器之后，除尘器在负压 状态下工作，由于含尘气体经净化后再进入风机，因此对风机的磨损很小，这 种方式采用较多。 2 2 过滤除尘机理 袋式除尘器是依靠编织的或毡织的滤布作为过滤材料来达到分离含尘气体 中粉尘的目的。它的工作机理是粉尘通过滤布时产生的筛分、惯性、黏附、扩 散和静电等作用而被捕集m 。 7 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 2 2 1 筛分作用 含尘气体通过滤布时，滤布纤维间的空隙或吸附在滤布表面粉尘间的空隙 把大于空隙直径的粉尘分离下来，称为筛分作用。对于新滤布，由于纤维之间 的空隙很大，这种效果不明显，除尘效率亦低。只有在使用一定时间后，在滤 布表面建立了一定厚度的粉尘层，筛分作用才比较显著。清灰后，由于在滤布 表面以及内部还残留一定量的粉尘，所以仍能保持较高的除尘效率。对于针刺 毡或起绒滤布，由于毡或起绒滤布本身构成厚实的多孔滤层，可以比较充分发 挥筛分作用，不全依靠粉尘层来保持较高的除尘效率。 2 2 2 惯性作用 含尘气体通过滤布纤维时，气流绕过纤维，而大于l o n 的粉尘由于惯性作 用仍保持直线运动撞击到纤维上而被捕集口粉尘颗粒直径越大，惯性作用也越 大。过滤气速越高，惯性作用也越大，但气速太高，通过滤布的气量也增大， 气流会从滤布薄弱处穿破，造成除尘效率降低。气速越高，穿破现象越严重。 2 2 3 扩散作用 当粉尘颗粒在o 2 删以下时，由于粉尘极为细小而产生如气体分子热运动 的布朗运动，增加了粉尘与滤布表面的接触机会，使粉尘被捕集。这种扩散作 用与惯性作用相反，随着过滤气速的降低而增大，粉尘粒径的减小而增强。以 玻璃纤维为例，纤维越细除尘效率越高。但纤维直径细的压力损失要比粗的纤 维大，耐蚀性也越细越差。 2 2 4 黏附作用 当含尘气体接近滤布时，细小的粉尘仍随气流一起运动，若粉尘的半径大 于粉尘中心到滤布边缘的距离时，则粉尘被滤布勃附而被捕集。滤布的空隙越 小，这种钻附作用也越显著。 2 2 5 静电作用 粉尘颗粒间相互撞击会放出电子产生静电，如果滤布是绝缘体，会使滤布 充电。当粉尘和滤布所带的电荷相反时，粉尘就被吸附在滤布上，从而提高除 尘效率，但粉尘清除较难。反之，如果两者所带的电荷相同，则产生斥力，粉 尘不能吸附到滤布上，使除尘效率下降。所以，静电作用能改善或妨碍滤布的 8 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 除尘效率。为了保证除尘效率，必须根据粉尘的电荷性质来选择滤布。一般静 电作用只有在粉尘粒径小于1 a n 以及过滤气速很低时才显示出来。在外加电场 的情况下，可加强静电作用，提高除尘效率。 2 3 过滤技术 过滤技术目前主要有纤维过滤、膜过滤和颗粒过滤。尽管这三种方式都能 达到将气溶胶中固体颗粒物分离出来的目的，但它们的分离机理是不一样引。 2 3 1 纤维过滤 纤维过滤器的滤料是由大量纤维疏松地填充在一起组成的过滤介质，纤维 的取向与气流方向垂直，粒子大多数沉积在介质内部在气流中插入圆柱、圆球 类障碍物，障碍物与气体及其中粒子之间存在较大的相对运动，粒子在障碍物 上被捕集。集尘装置多数都属于这种形式。只是在障碍物的形状、相对运动的 方式上各有不同。 2 3 2 膜过滤 膜技术是一种发展非常迅速的新型技术，膜过滤仅是膜技术中的一个方面。 前几年在我国迅速推广应用的覆膜滤料，近两年开始研究的渗膜滤料，都是用 膜过滤原理。膜过滤采用的是微孔滤膜，它通常是由高分子聚合物制成的，厚 度一般为1 0 0 - - - - 1 5 0 a n ，有时也可以制成更薄一些和更厚一些的微孔滤膜。微孔 滤膜一般说来孔径十分均匀。 2 3 3 颗粒过滤 滤袋表面附着的粉尘层在袋式除尘器工作过程中起着重要作用。研究颗粒 过滤是把颗粒介质作为收尘体的集合来分析。颗粒介质的概念性表达是由 p a y a t a k e s 和t i e n 等人提出来的。 假定均匀随机填充的过滤介质是由许多串连的单元床层组成。单元床层的 厚度l 称为周期长度。其定义为：对于由几乎等大小的颗粒组成的，各边长为n l 的立方体过滤器，当n 一时，此立方体内有n3 个颗粒，因此，周期长度l 为 k l 南j a g 21l60一占) j 9 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 其中吨是颗粒平均直径。 对于过滤过程来说，每个单元床层包括许多特定形状、粒度或粒度分布的 收尘体，其效率e 可由每个收尘体的效率来确定。单个收尘体的效率取决于其周 围的流场、粒子从悬浮体中输运到收尘体表面的特性和机理，以及粒子在收尘 体表面上的粘附。 把颗粒过滤器看成是许多收尘体的集合，则可用各个收尘单元床层的收尘 效率来表示过滤器的收尘能力。描述过滤器性能的总效率e 定义为： e ：鱼二叠2 2 其中，分别表示入口和出口气流的粒子浓度。此外，在大多数气溶 v 肌l - e f t 胶文献中，过滤器的性能常用透过率p 表示。 e = l 一尸 2 3 用c j 表示流出第i 个单元床层的悬浮体的粒子浓度，则第i 个单元床层的效 率为 乞：! 正兰 2 4 q i 这样，总效率可表示为 e - - l - 兀( 1 一q ) 2 5 n 是单元床层的总数。对厚度为l 的过滤层，串联的单元床层总数为 ：车 2 6 ， 气溶胶粒子在颗粒层中的浓度变化遵循对数规律，即 害：一2 c 2 7_ 2 一 其中五为过滤系数，c 为气溶胶质量浓度。 过滤系数通常是与时间和位置有关的函数。即它既随着时间也随着在过滤 器内位置的变化而变化。然而在任意时刻将式2 4 应用于某个单元床层，则可认 为在此单元床层内五是常数，这是由于，很小，约为一个过滤颗粒的直径。因此， l o 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 对式2 4 ，从z ：( i 1 ) ，到z = i 积分，即 l i l 鱼：御 2 8 c j 2 = - l n ( 1 一岛) 2 9 五= 吾- n 击1e 2 m ，一j 。 对于p ： 直接操作法设计者可以直接修改图形的内部状态。所有的目标都用 图形来表示，设计者可以通过直接控制点来修改目标的位置、方向和目标的大 小等。目标的成员自动继承父目标的属性和操作，允许用户在层次结构中指定 目标的几何结构。这种关系由约束说明，目标之间的约束通过局部坐标系与整 体坐标系的关系来指定。 ( 4 ) 语言描述法是使用语言描述图形的方法。用户使用造型语言来定义 带有参数的体素，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素，系统自 动生成几何体的描述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。 ( 5 ) 参数化有限元建模方法 在以上参数化的几何造型系统中，设计参数的作用范围是几何模型，但若 进行有限元分析计算，需要将其导入有限元分析软件，转化为有限元模型才行。 但这样依然不能为后续的分析优化程序所用。因此，如果希望以几何模型中的 设计参数作为形状优化的设计变量，就必须将设计参数的作用范围延拓至有限 元模型，使有限元模型能够根据设计变量的变化，实现有限元模型的参数化， 即必须基于有限元软件平台建立参数化模型，包括：几何模型的参数化、网格 的参数化及边界条件参数化。本文即采用该方法进行参数化建模。 a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 语言是有限元分析软件a n s y s 自带的一种批处理语言，它为参数化的有限元模型提供了一个有力的工具。 有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果。假如 1 5 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 求解结果表明有必要修改设计，就必须改变模型的几何形状及其它参数并重复 上述步骤，特别当模型较复杂或修改较多时，这个过程会很复杂和费时。其实 如果运用a p d l 建模，只要对命令流略做修改，重新读入即可，极大地加快了 研究分析的进程。 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 用建立智能化分析的手段为用户提供了 自动完成上述循环的功能，即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及 选出的分析标准作决定。a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，并扩充 了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改及设计优化。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权，例如尺 寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。 a p d l 有下列功能，这些功能可根据需要单独或同时使用： 参数；数据参数；表达式和函数；分支和循环；重复功能和缩写；宏；用 户程序。所有这些全局控制特性，允许按用户需要改变该程序以满足特定的建 模和分析需要。通过精心计划，灵活运用数据库与选择集，用户能创建一个高 度完善的控制方案。该方案将在应用范围内使程序发挥最大效率。 2 5 2 优化设计与a n s y s 传统的结构设计方法是设计人员根据经验和判断提出设计方案，随后用力 学理论对给定的方案进行分析、校核。若方案不满足约束限制，人工调整设计 变量，重新进行分析、校核，直到找到一个可行方案，即满足各种条件限制的 方案。这个设计过程周期长、效率低，并且得到的结果仅是可行方案，多数不 是最优设计。传统的方法无论是分析还是设计都存在大量的简化和经验，准确 性差。 现代结构优化( 亦称结构综合) ，主要指数值结构优化或计算结构优化， 其研究内容是把数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建 立一套科学的、系统的、可靠而又高效的方法和软件，自动地改进和优化受各 种条件限制的承载结构设计。 1 9 6 0 年，s c h m i t 首先引入数学规划理论并与有限元方法结合求解多种裁荷 情况下弹性结构的最小重量设计问题，形成了全新的结构优化的基本思想，意 味着现代结构优化技术的开始。该概念一经出现，很快受到了许多学者尤其是 结构设计工程师的关注并开展了广泛深人的研究。随着计算机的发展，结构分 1 6 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 析能力和手段的不断完善，数学寻优技术的提高，结构优化己成为计算力学中 员活跃的分文之一，其研究已有很多综述报道【l 列。研究的范围十分广泛，从研 究层次上看可有尺寸优化问题、形状优化问题及材料选择、拓扑优化问题；从 问题的复杂程度看已经从简单的桁架设计发展到梁、板、壳等多种复杂元素的 结构设计；设计变量有连续性、离散性；约束从最初的应力、位移发展到稳定、 动力特性等。随着对工程设计概念例如可靠性设计、模糊设计等不确定性的因 素的认识，相应的优化模型也已提出，基于可靠性概念的优化设计【l 叫，结构模 糊优化【1 7 1 8 】：目标函数有单目标、多目标等；目前在航空航天领域考虑控制因 素的结构优化问趔1 9 伽j 得到了广泛的注意。 结构优化有三个基础一是计算机技术；二是结构分析的方法；三是数学 规划的理论。计算机的技术经过几十年的发展，无论是硬件还是软件水平部有 很大提高，而且迅速发展，为结构分析与优化提供了越来越好的实现环境。结 构分析主要采用有限元分析方法，有限元比结构优化略早，几乎是同时发展的， 但有限元方法相当完美的变分原理理论基础及其良好的数值性质使它很快地被 工程界所接受，并广泛应用，现已成为结构力学等领域主要的分析工具。有限 元技术为结构优化提供了可靠、强大的分析手段；数学规划为结构优化奠定了 良好的数学基础，目前严格数学规划方法能处理的变量和约束还不多，主要是 不能解决变量多、约束多这样的工程设计问题。如何把数学规划的理论应用于 结构优化设计，根据结构设计的特点提出通用性、效率及可靠性等均良好的方 法正是近几十年来人们追求的目标。 a n s y s 的优化设计功能【2 l 】使其在有限元分析软件中独领风骚，堪称一绝。 众所周知，所谓“最优设计 是指一种方案可以满足所有设计要求，而且所需 的支出( 如重量，面积，体积，应力，费用等) 最小。也就是说，最优设计方 案是一个最有效的方案。设计方案的任何方面都可以优化的，比如说：尺寸， 形状，支撑位置，制造费用，频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的 a n s y s 选项都可以作优化设计。 一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件( 设计变量的约束和状态变 量的约束) 的设计。如果其中任一约束条件不被满足，设计就是被认为是不合 理的。最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。 a n s y s 中的设计变量、状态变量和目标函数总称优化变量。在a n s y s 中 这些变量是由用户定义的参数来指定的。 1 7 第2 章袋式除尘器概述和c a e 进展 设计变量( d v s ) ，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现 的，每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。a n s y s 优化程 序允许定义不超过6 0 个设计变量。状态变量( s v s ) 是约束设计的数值，它们 是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单 方面的限制，即只有上限或下限。在a n s y s 优化程序中用户可以定义不超过 1 0 0 个状态变量。 目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改 变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在a n s y s 优化程序中，只能设定一 个目标函数。 a n s y s 优化设计的步骤如下： ( 1 ) 生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析过程，而且必须 满足以下条件： 参数化建模( p r e p 7 ) 求解( s o l u t i o n ) 提取并指定状态变量和目标函数( p o s t l p o s t 2 6 ) ( 2 ) 在a n s y s 数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是 标准的做法，但不是必须的。 ( 3 ) 进入o p t ，指定分析文件 ( 4 ) 声明优化变量 ( 5 ) 选择优化工具或优化方法 ( 6 ) 指定优化循环控制方式 ( 7 ) 进行优化分析 ( 8 ) 查看设计序列结果( o p t ) 和后处理( p o s t l p o s t 2 6 ) 1 8 第3 章花板结构分析及优化 第3 章花板结构分析及优化 袋式除尘器向着大型多室化发展，袋室越多，所需要的花板越多。花板位 于上箱体与中箱体之间，直接承受滤袋及其附属零件重量、面板积灰、滤袋外 表面粘灰、喷吹气压等载荷，是受载最复杂的构件之一【2 2 也3 1 。而国内大多数企 业在处理此类结构体时，大多采用保守设计，成本较高且耗材。本节以花板为 例，对其进行结构分析，并进一步进行优化计算。 3 1 模型建立 3 1 1 几何模型建立 袋式除尘器花板部件承载较多，结构较富复杂。因为其功能、工艺和结构 等的特殊要求，在花板上装有滤袋骨架、开空槽和其他结构等。它们基本不承 受载荷，只是在工艺上和某些性能为满足一些特定的要求，进行简化处理时， 对这些结构不予考虑。简化后几何图如图3 1 。 2 8 1 5厶4 y 0 1 厶气 一5 厶3 一 l 一一l ：厂、厂二、，、厂，、厂、厂、厂j 、厂、厂、厂，、厂、厂、厂，、，、 习 u 炒vu u u u uu v u u u u uu 厂、n 厂、，、，、一、厂、厂、，、厂一、厂、厂，、一、厂一、厂，、厂，、 习 一一一一一一一一一一一一一一 厂、厂、一、一、厂、一、厂一、厂一、厂一、一、厂一、一、厂一、一、一、，、 一一一一一一一一一一一一 ooo oo o o oo o ooo o oo 图3 1 花板的几何模型 模型的建立【娴5 1 可分为直接法和间接法( 也称实体模型s o l i dm o d e l i n g ) ，直 接法为直接根据机械结构的几何外型建立节点和元素，因此直接法只适应于简 单的机械结构系统。反之，间接法适应于节点及元素数目较多的复杂几何外型 机械结构系统。该方法通过点、线、面、体积，先建立有限元模型，再进行实 1 9 第3 章花板结构分析及优化 体网格划分，以完成有限元模型的建立。 本次建模采用实体建模。实体模型几何图形决定之后，由边界来决定网恪， 即每一线段要分成几个元素或元素的尺寸是多大。决定了每边元素数目或尺寸 大小之后，a n s y s 的内部程序即能自动产生网格，即自动产生节点和元素，井 同时完成有限元模型。实体模型建立有下列方法： 1 ) 由下往上法( b o t t o m 一叩m e t h o d ) ： 由建立最低单元的点到最高单元的体积，即建立点，再由点连成线，然后 由线组合成面积，最后由面积组合建立体积。 2 ) 由上往下法( t o p d o w nm e t h o d ) 及布尔运算命令一起使用 此方法直接建立较高单元对象，其所对应的较低单元对象一起产生，对象 单元高低顺序依次为体积、面积、线段及点。所谓布尔运算为对象相互加、减、 组合等。 花板模型的建立是采用由下往上法，总共采用了关键点有1 2 个，线1 6 条， 面3 个。 慧 n s 、s 囝32 花扳模剐示意图 3 1 2 材料选择 a 、花板材料选择 根据文献 圳，花板的材料为q 2 3 5 。密度p = 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 , 泊松比= 0 3 弹性模量为20 6 e 1 i p a 。 b 、滤袋材料选择【2 7 i 近年束美国公司研发推广的薄膜复合滤料，其表面是一层很薄的( 5 0 n n ) 第3 章花板结构分析及优化 极光滑、多微孔的膨化聚四氟乙烯薄膜。这层膜化学性能稳定，不易变形。它 将薄膜经高温热压复合机热熔覆合道普通过滤材料的表面。在实际过滤中，细 粉尘完全不能进入薄膜内部，而沉积在其表面，使滤料产生表面过滤效果，避 免传统深层过滤带来的滤料堵塞现象。这种过滤不需要建立“初始粉尘层”。薄 膜的压力损失比一般滤料小，而除尘效率比一般滤料高。这里，选择聚四氟乙 烯系列中的玻璃纤维膨体纱机织布。其性能参数如表3 1 。 表3 1 滤料参数 薄膜材质聚四氟乙烯 基本材质玻璃纤维膨体纱机织布 面密度( g m 2 ) 5 0 0 厚度m m1 5 断裂强度 经向 耋2 0 0 0 n ( s c m 幸2 0 c m ) 】纬向 至1 3 0 0 经向 兰5 断裂伸长率 纬向 耋5 破裂强度( m p a m i n ) 1 5 透气量 m 3 ( m m i n ) 】 2 8 - 4 5 使用温度 t u 日一p r e 5 5 = f 00 0 5 第三步查看计算结果 削6 4 交互载荷数值输入窗口 第6 章基t - a p d l 的专埘分析程序二次开发 一 2 单击工具条t o o l b a r 中按钮t u b _ s i n t ，绘制花板的v o nm i s t s 应力分布 图，结果如图6 6 。 。= ! i ! ! ! ! 一一一 幽6 - 6 花扳的v o nm i $ e s 应力分布幽 第6 章基ta p d l 的专用分析程序二次开发 6 3 应用前景 定制产品及其支撑技术的研究近几年备受关注【杯5 2 1 。对于过程装备而言， 其定制产品的研发可以通过二次开发编程实现参数化建模界面化，计算结果查 询界面化，极大地方便了不具备有限元知识或不熟悉有限元软件的袋式除尘器 设计师进行结构的强度模拟分析。显而易见，结合袋式除尘器设标准，开发针 对用户需要的定制产品的分析设计系统具有现实的应用价值和广阔的市场。 6 2 第7 章结论 第7 章结论 7 1 工作总结 本课题以某大型袋式除尘器为背景，对参数化建模、结构优化及有限元技 术的应用进行了研究。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 针对目前袋式除尘器研究大多集中在单一的强度分析及结构改进后强 度分析的状况，提出在c a e 环境下通过参数化建模进而实现结构优化设计，并 以此来指导生产实践，提高设计可靠性，并缩短周期。 ( 2 ) 建立袋式除尘器花板三维几何实体模型，并在此基础上建立其有限元 模型。利用a n s y s 有限元分析软件详细地研究了花板结构的变形、应力分布情 况，从分析结果得出应力远小于失效应力，设计过于保守；在原有设计的基础 上，通过a n s y s 软件的优化模块对花板厚度进行了优化计算，使得钢材的消耗 减轻了1 4 2 2 ；对花板加筋结构的两个方案进行了分析和对比，在加筋情况下， 槽钢的加强效果优于扁钢。 ( 3 ) 通过a n s y s 的分析，对箱体侧板三种方案即平板结构、加槽钢结构、 压型板的稳定性分析，得出了符合材料强度、刚度要求的最优方案压型板 结构( 板厚为5 r a m ) 。对箱体结构进行参数化建模、分析及优化，得出满足给定 的刚度和强度要求下的优化尺寸后，分析得出钢材的使用量由原来的1 9 3 0 4 k g 降低到1 1 2 0 7 k g ，降低了4 1 9 4 ，大大节省了钢材的使用量。 ( 4 ) 通过分析灰斗变形和应力云图，对灰斗进一步优化提出参考。 ( 5 ) 借助a p d l 语言进行二次开发编程，编制了参数化建模界面、施加载 荷界面、查看计算结果界面，绘制应力和应变分布曲线界面，加速了定制产品 的研制和开发。 7 2 应用前景 本文提出的这一套基于花板的参数化建模和优化技术路径充分利用了大型 c a e 软件的参数化建模、优化设计和二次开发能力。对于定制产品可以通过二 次开发编程实现参数化建模界面化，计算结果查询界面化，极大地方便了不具 6 3 第7 章结论 备有限元知识或不熟悉有限元软件的袋式除尘器结构设计师进行结构的强度模 拟分析。显而易见，开发针对用户需要的定制产品的分析设计系统具有现实的 应用价值和广阔的市场前景。 7 3 展望 一、本文为了简化工作，所用的处理方法有意忽略了一些问题。如果需要 得到更精确的结果，这些问题是有待进一步解决。 ( 1 ) 花板活荷载分析中，不同类型积灰的密度的均值、方差的研究需要完 这是进行到准确、安全的结构设计的前提。 ( 2 ) 简化的箱体进入整体结构之后，在与其周围部分连接过程中，存在着 应力集中，这与实际不符，需要进一步研究。 二、装备结构优化设计的研究和应用，关键在于建立j 下确、合理的数学模 型和选择合适的求解方法。计算机技术的发展推动了建模和优化技术突飞猛进， 因而，计算机辅助智能建模和优化求解软件的研究及评价将是大势所趋。 致谢 致谢 本文是在导师谭志洪副教授的悉心指导下完成的，论文从选题到定稿，无 不凝聚着导师的心血。读研期间，导师在思想、学业和生活等诸多方面给予了 我无微不至的关怀和帮助。导师渊博的学识，严谨的治学态度、对事业执着的 追求、忘我的工作精神，永远是我学习的楷模。在此，谨向导师致以崇高的敬 意和衷心的感谢! 环工学院化机教研室的各位老师在三年间给予我无数关心和指导，在此向 他们致以诚挚的谢意! 感谢实验室所有同门在课题和学业中给予的帮助! 感谢所有帮助和鼓励支持我的同学和朋友! 感谢我的家人，他们最纯朴无私的关爱、理解和支持，是我永远的力量源 泉! 本文在写作过程中参考了大量的文献，有些地方甚至无法一一注出；另外， 本文的部分资料来源于网上；在此，谨向原文作者及那些无私奉献的网友表示 衷心的感谢。 要感谢的人很多，包括提及和未提及的。值此论文完稿之际，特向所有关 心和帮助我的老师、亲人、朋友和同学致谢，谨以此文献给他们1 6 5 陈阳文 2 0 0 8 年1 1 月 参考文献 参考文献 【1 】谭天佑，梁凤珍工业通风除尘技术 m 】北京：中国建筑：【业出版社，1 9 8 4 【2 】陈隆枢，姚群工业防尘技术新进展【j 】中国安全科学学报，