基于ANSYS对袋式除尘器灰斗结构的设计与优化

1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20062010年）题 目 基于ANSYS对袋式除尘器灰斗结构的设计与优化学 院： 系 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 副教授 起讫日期： 2010.3-2010.6 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担

2、。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘要基于ansys对袋式除尘器灰斗结构的设计与优化专 业： 学 号：姓 名： 指导教师： 摘要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。随着钢材价格的上涨，除尘

3、器本体钢结构的结构合理性的问题较为突出，而对除尘器本体钢结构的研究却明显不足。本文对大型袋式除尘器的灰斗结构进行了应力和应变分析。通过有限元分析软件ANSYS，对灰斗进行壳体建模，网格参数化，载荷及材料属性参数化等以有限元分析结果为依据对灰斗进行优化时，采用了基于整体对各个部件分步进行优化的方法。优化结果显示，灰斗总质量与优化前比，减少了17.6%，整体优化效果明显。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：ANSYS；结构优化；有限元分析；参数化建模；袋式除尘器；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 目录目录摘要IAbstractII目录III第一章 概述11.1研究目的与意义11.2国内外研究现状及发展趋势11.3本课题研究内容31.4本课题研究方案31.5研究目标与主要特色3第二章 袋式除尘器简介42.1袋式除尘器简介42.2袋式除尘器的过滤机理42.3脉冲式袋式除尘器工作原理62.4袋式除尘器分类62.5脉冲袋式除尘器本体钢结构组成8第三章 ANSYS软件与有限元思想简介93.1ANSYS软件介绍93.2有限元法103.2.1有限元思想简介103.2.2有限元法求解步骤113.3参数化建模113.4 A

10、NSYS的优化设计123.4.1 ANSYS优化设计思想123.4.2优化过程13第四章 袋式除尘器灰斗结构分析164.1灰斗的结构形式164.2灰斗的壳体建模分析174.3灰斗基本参数174.4灰斗壳体模型的基本设定（按顺序）174.4.1定义单元格174.4.2材料属性定义184.4.3网格划分184.4.4施加约束194.4.5施加灰斗载荷194.4.6荷载计算方法194.5灰斗壳体模型的建立与分析214.5.1模型一21第五章 灰斗结构的改进245.1模型二245.2模型三25第六章 灰斗结构的优化286.1定义约束条件286.2定义设计变量286.3优化过程296.3.1优化灰斗厚度

11、296.3.2优化纵向角钢尺寸316.3.3优化横向角钢376.3.4再优化426.3.5最终优化46第七章 结论48参考文献49致谢51第一章 概述第一章 概述1.1研究目的与意义近年来，我国袋式除尘器有了长足的进步，主机、滤料、自动控制和应用技术的水平都有很大提高，使得袋式除尘器对于烟气的高温、高湿、高浓度、微细粉尘、吸湿性粉尘、易燃易爆粉尘等不利工况条件有了更强的适应性，在加强清灰、提高效率、降低消耗、减少故障、方便维修方面达到一个新的高度。但是，我国目前除尘器结构设计水平与国外最新发展水平相比，还存在相当的差距，尤其在本体结构设计方面，一些薄弱环节需要研究、改进和提高，问题主要表现在以

12、下两个方面。耗钢量。袋式除尘器从小型单室结构发展到大型多室结构，过滤面积从几平方米发展到几万平方米，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90 kg/，远远落后于国外先进水平。因此，优化除尘器结构，降低耗钢量已成为袋式除尘器技术进步的一个重要方面。安全问题。袋式除尘器本体是钢结构，涉及到结构安全问题。节约用材和结构安全，是一对很难调和的矛盾。武断地降低耗钢量，使结构变得轻巧，可能带来结构安全隐患；盲目地追求结构安全，提高结构重量，可能造成大量浪费。所以，针对不同规格除尘器结构的安全隐患和薄弱点，研

13、究结构变形规律及其控制技术、热应力消除技术及其补偿措施，以及除尘器结构优化设计方法，开发基于ANSYS的袋式除尘器结构优化设计计算软件，以及结构模块化、快装化计算机仿真，方便、快捷地实现除尘器结构的优化设计及计算，在节约钢材与结构安全之间找到一个平衡点非常有必要。在满足工艺条件的情况下，对除尘器的本体钢结构进行优化，降低用钢量，是降低除尘器成本，提高市场竞争力的有效办法。1.2国内外研究现状及发展趋势近半个世纪以来,我国的经济高速发展,现代化工业,尤其是重化工、原材料、能源等工业更是突飞猛进,但加快经济发展的同时,工业生产所产生的粉尘、纤尘等不仅会破坏作业环境,还会污染大气环境,危害人们的健康

14、。随着我国环保法规的日益严格,除尘器得到越来越广泛的应用。袋式除尘器自1881年问世至今,已经得到很大发展。目前袋式除尘器的应用数量约占各类除尘器总量的60%70%,这主要得益于滤料的发展、清灰技术的进步以及运行控制的逐步现代化。袋式除尘器主机脉冲袋式除尘器大型化的趋势明显，性能达到国际先进水平。上钢五厂新建100吨电炉采用这种设备处理风量96.7万m3/h，排尘浓度为812mg/m3，设备阻力低于1200Pa，喷吹压力0.2MPa，清灰周期长达75min，运行三年多，滤袋和脉冲阀膜片尚未破损，过滤面积为11716m2。随后建设的一批超高功率电炉也都竞相采用大型脉冲袋式除尘器。近几年，炼钢转炉

15、的二次烟尘治理多采用大型脉冲，其中最大的过滤面积达15880m2，处理风量150万m3/h，其经济、社会和环境效益都明显好于以往。袋式除尘器在适应高含尘浓度方面实现突破，能够直接处理含尘浓度1400g/m3的气体，比以往提高数十倍，并达标排放。因此，许多物料回收系统抛弃原有的多级收尘工艺，而以一级收尘取代。例如以长袋脉冲袋式除尘器的核心技术为基础，强化过滤、清灰和安全防爆功能，形成高浓度煤粉收集技术，已成功用于煤磨系统的收粉工艺，并在武钢、鞍钢等多家企业推广应用。实测入口浓度675879g/m3，排尘浓度0.5912.2mg/m3，效益显著并杜绝了污染。袋式除尘器用滤料、滤袋耐高温滤料多样化，

16、除了诺梅克斯、美塔斯外，P84，莱登（RrTUN）滤料的应用越来越多。特氟纶滤料已有少量应用。由微细玻璃纤维与耐高温P84等化学纤维复合，利用特殊工艺制成的新型FMS氟美斯耐高温针刺毡在钢铁、水泥、天然气、化工等行业已有不少成功的应用。玻纤滤料在增强其抗折、耐磨性等方面获得进展，去年还开发成功了专门适用于垃圾焚烧的玻纤滤料。在净化180280 的烟气时，人们有了更多的选择余地。针刺毡的后处理技术多样化，原来较少应用的防油、防水、阻燃、抗水解等处理日渐普遍，使针刺毡滤料能适应多种复杂环境，应用更为广泛。表面过滤材料的出现和应用，是更为积极的进步，连袋式除尘的机理都有所变化。它对微细粉尘有更高的捕

17、集率，并将粉尘阻留于滤料表面，容易剥离，使设备阻力降低。现有三种实现表面过滤的途径：在普通滤料表面复以聚四氟乙烯薄膜；复以具有大量微孔的涂层；以超细纤维在针刺毡表面形成超细面层。袋式除尘器自动控制系统袋式除尘器的自动控制已普遍采用PLC机，工控机（IPC）也已进入这一领域。中、小型设备多采用单片机或集成电路为核心的控制技术。自控系统普遍加强了自身的抗干扰性能，在供电电压波动，粉尘侵扰等不利条件下，不少产品都能可靠运行。自控系统的功能更为齐全，对清灰进行程控，自动检测除尘设备和系统的温度、压力、压差、流量参数、超限报警；对清灰参数（周期持续时间等）进行显示。对各控制参数的调节更加方便。由于大型袋

18、式除尘器的体积庞大,结构复杂,传统的设计方法是对其结构进行较大的简化后利用材料力学作简单的校核计算,因此往往造成基础参数和安全系数选择较大,结构尺寸参数确定具有一定的盲目性和保守性,以致消耗材料过多,成本增加,而且设计周期长,不能快速响应客户需求。所以,有必要采用更科学的设计方法,建立带式除尘器关键结构的模型,利用先进的有限元分析软件ANSYS对其进行强度分析,合理确定各构件的尺寸,得出最优的结构模型。这样对袋式除尘器灰斗结构优化改进，能有效地提高其设计技术水平。1.3本课题研究内容利用ANSYS软件建立了灰斗的壳体模型,基于整体结构设定边界条件,定义约束,进行有限元静力分析计算。分析主要研究

19、了灰斗结构的位移、应力、应变等分布情况,结论认为该方法对普通的灰斗分析的安全系数较大,有较大的优化空间。优化结果显示,灰斗结构优化效果明显。利用优化结果对模型更新,再进行分析证明了优化结果的合理性和可靠性。 论文可为设计制造部门起到较好指导作用,以便节约钢材,减低成本,以产生显著的经济效益。1.4本课题研究方案利用有限元分析软件ANSYS的CAD及CAE功能对袋式除尘器灰斗进行结构分析。研究袋式除尘器灰斗结构在承受载荷作用下的最大应力及变形。利用有限元分析软件ANSYS对大型袋式除尘器的灰斗结构进行分析。研究袋式除尘器灰斗在结构优化后的应力及变形，与其材料所能承受的最大应力极限相比较，从而判断

20、袋式除尘器结构是否满足强度、刚度要求。1.5研究目标与主要特色通过对袋式除尘器灰斗结构的参数化建模及有限元优化分析，使得袋式除尘器的灰斗在满足结构要求的情况下达到最优的结构和达到最经济的效果。用先进的大型的计算机辅助设计及有限元分析软件(我将应用ANSYS软件)，对其结构进行优化设计，以获得合理的结构设计参数，为规范大型除尘器的设计和生产提供重要理论依据。第二章 袋式除尘器简介第二章 袋式除尘器简介2.1袋式除尘器简介袋式除尘器是指利用纤维性滤袋捕集粉尘的除尘设备。滤袋的材质是天然纤维、化学合成纤维、玻璃纤维、金属纤维或其他材料。用这些材料织造成滤布，再把滤布缝制成各种形状的滤袋，如圆形、扇形

21、、波纹形或菱形等。用滤袋进行过滤与分离粉尘颗粒时，可以让含尘气体从滤袋外部进入到内部，把粉尘分离在滤袋外表面，也可以使含尘气体从滤袋内部流向外部，将粉尘分离在滤袋内表面。含尘气体通过滤袋的分离与过滤完成除尘过程。袋式除尘器的突出优点是除尘效率高，属高效除尘器，除尘效率一般大于99%。运行稳定，不受风量波动影响，适应性强，不受粉尘比电阻值限制。因此，应用中备受青睐。他的应用数量约占各类除尘器总量的60%70%。袋式除尘器的不足之处是对潮解、黏性粉尘不如湿式除尘器。脉冲喷吹袋式除尘器是以压缩空气为清灰动力，利用脉冲喷吹机构在瞬间释放出压缩空气，诱导数倍的二次空气高速射入滤袋，使滤袋急剧膨胀，依靠冲

22、击振动和反向气流而清灰的袋式除尘器。脉冲喷吹型袋式除尘器的滤袋是悬挂在花板上的，含尘烟气从滤袋的侧向进入，流过滤袋周围，并由滤袋外侧进入滤袋内。滤袋内侧有支撑的骨架，防止滤袋瘪塌，烟尘附着在滤袋的外层。脉冲的高压空气通过开口滤袋的顶端喷入袋内，引起滤袋外侧的烟尘脱落。大型脉冲袋式除尘器有离线清灰和在线清灰两种方式。由于脉冲喷吹型袋式除尘器具有喷吹效果好、设备运行可靠、除尘效率高、阻力小等优点，使得脉冲除尘器成为当今袋式除尘器特别是大型脉冲袋式除尘器的主流和发展趋势。脉冲喷吹袋式除尘器具有多种形式，如逆喷、顺喷、对喷、环隙喷吹等。喷吹气源气压为低于0.4MPa者称为低压喷吹;喷吹气源压力高于0.

23、4MPa者称为高压喷吹。脉冲喷吹袋式除尘器是一种高效除尘净化设备，具有清灰效果好、净化效率高、处理气量大、滤袋寿命长、维修工作量小、运行安全可靠、自动化程度高等优点，属于强清灰的除尘器。由于以上的诸多优点，脉冲喷吹袋式除尘器是目前国际上最普遍、最高效的滤袋除尘器。2.2袋式除尘器的过滤机理袋式除尘器的除尘过程主要是由滤袋完成的。滤袋是各种滤料纤维织造后缝制而成。过滤机理取决于滤料和粉尘层多种过滤效应。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。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

24、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。惯性作用含尘气体通过滤布纤维时，气流绕过纤维，而大于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，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

25、破现象越严重。扩散作用当粉尘颗粒在0.2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。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，则粉尘被滤布粘附而被捕集。滤布的空隙越小，这种粘附作用也越显著。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

26、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脉冲式袋式除尘器工作原理图2-1 袋式除尘器剖面图在脉冲喷吹袋式除尘器的运行过程中含尘气体由尘气进口进入箱体，由滤袋外部进入内部，由下向上，进入洁净室中，粉尘在此过程中被阻留在滤袋的外表面，洁净室中的干净气体通过排风管排出。当除尘器压差达到一定数值或者过滤持续一定

27、时间，清灰阀将控制脉冲高压气体沿喷吹管从喷孔中高速喷出，高速气流与它所引起的诱导气流进入滤袋中，使滤袋急剧膨胀、收缩，使滤袋产生冲击振动，同时气流由内向外喷出，使附着在滤袋外表面的粉尘脱落，被灰斗所收集。积累到一定量，由灰斗底部排出。2.4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类。按除尘器的结构形式分类袋式除尘器的示意结构简图2-2。 图2-2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：

28、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2-2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120300，最大不超过600mm,高度为2 3m，也有10m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2-2中a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2550mm，高度为0.61.2m,深度为300500。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。（

29、1）内滤式袋式除尘器。图2-2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，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2-2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2-2中b、c为下进风袋式除尘器，含尘气体

30、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1530。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

31、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。2.5脉冲袋式除尘器本体钢结构组成本文以单排单侧风道式脉冲袋式除尘器为例来说明除尘器本体钢结构的组成。下文所出现的除尘器均指单排单侧风道式脉冲袋式除尘器。除尘器结构主要由下框架、中箱体(虑袋室)、风道、上箱体和平台爬梯5大部分组成，其中上箱体又分为洁净室箱体和提升阀箱体。框架支承整台除尘器自重和其他相关荷载，下框架横梁同时也是中箱体的底圈梁；下框架多采用带支撑的钢框架结构。灰斗收集被过滤下来的粉尘，

32、到一定程度将粉尘由灰斗口排出;灰斗为板肋结构，悬挂于下框架顶梁，灰斗顶平面有刚度很强的水平支撑，跨距较大时，灰斗内部也可加水平支撑。中箱体用来围护滤袋所处的空间;中箱体为钢框架加围护板结构，围护板主要承受负压作用，中箱体柱主要承受其上部设备的自重荷载和相关活荷载，同时承受围护板传递的荷载。含尘气体经滤袋过滤后进入洁净室，经提升阀箱体进入风道;上箱体内设置有喷吹装置;上箱体为钢框架加维护板结构，底板为花板，用来悬挂滤袋，顶板为检修门框和检修门;上箱体主要承受滤袋、龙骨自重及积灰荷载和上箱体上部设备荷载以及其他相关活荷载;上箱体同时也相当于中箱体的上圈梁。风道中部布置有通长的斜隔板，斜隔板下方为含

33、尘气体进入通道，斜隔板上方为洁净气体排出通道;风道结构和受力基本与中箱体相同，只是每个跨间不再有钢板分隔， 如图2-3。灰斗是除尘器的重要部件，对除尘器的影响很大，通过分析灰斗的结构并进行优化来改进除尘器的本钢结构。本文选取了袋式除尘器的典型结构灰斗进行分析研究。 图2-3第三章 ANSYS软件与有限元思想简介第三章 ANSYS软件与有限元思想简介3.1ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NAST

34、RAN, Alger, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、

35、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。前处理模块主要实现3种功能：参数定义、实体建模与网格划分。前处理用于定义求解所需的数据。用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元、以及定义耦合和约束方程。在ANSYS程序中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置、节点自由度的方向，材料特性的方向。程序中可用的坐标系类型有笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系及环坐标系。所有这些坐标系均

36、能在空间的任意位置和任意方向设置。ANSYS提供了广泛的模型生成功能，从而使用户可以快捷地建立实际工程系统的有限元模型。ANSYS程序提供了3种不同的建模方法：模型导人、实体建模及直接生成。每种方法有其独特的特点和优点。用户可以选择其一或其组合来建立实体模型。ANSYS系统的网格划分功能十分强大，使用便捷。从使用选择的角度来说，网格划分可分为系统智能划分与人工选择划分2种。从网格划分的功能来说，则包括4种划分方式：延伸划分、映像划分、自由划分与自适应划分；延伸划分是将1个二维网格延伸成1个三维网格；映像划分是将一个几何模型分解成几部分，然后选择合适的单元属性与网格控制，分别划分生成映像网格；自

37、由划分由ANSYS程序提供的网格自由划分器来实现，这种划分可以避免不同组件在装配过程中网格不匹配带来的问题；自适应划分是在生成具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动产生有限元网格，并分析、估计网格的离散误差，再重新定义，直至误差低于用户定义的值。在前处理阶段完成建模及网格划分后，用户在求解阶段，通过求解器获得分析结果。在求解阶段，用户可以定义分析类型、分析选项和载荷数据，然后开始有限元求解。ANSYS提供的直接求解器可以计算出线性联立方程组的精确解。ANSYS程序还提供了一个有效的稀疏矩阵求解器，它既可用于线性分析，又可用于非线性分析。由于稀疏矩阵求解器基于方程的直接消去，因而可以容易地

38、处理病态矩阵。对于接触状态可改变拓扑结构并影响波前宽度的非线性分析，以及模型为具有多个波前多分支结构做任何分析，该求解器都较为适用。ANSYS的后处理过程紧接在前处理和求解过程之后，通过友好的用户界面，用户可以很容易地获得求解过程的分析结果并对这些结果进行运算，这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等。输出形式有图形显示和数据列表2种。交互式后处理过程中，图形可联机输出到显示设备上，也可以脱机输出到绘图仪上。由于后处理阶段完全同前处理阶段和求解阶段集成在一起，故求解结果已存于数据库且能立即查看。后处理访问数据集的方法有2种，一是用通用后处理器POST1来查看整个模型或选定的部分模型

39、在某一时间步的结果。可以获得等值线显示、变形形状以及检查与解释分析的结果和列表，也提供许多其它功能。另一种是用时间历程后处理器POST26来查看模型的特定点在所有时间步内的结果，可获得结果数据对时间或频率关系的图形曲线与列表，还能从时间历程结果中生成谱响应。当数据从结果文件读出后，数据存于ANSYS程序数据库，使用交互方式可以很方便地进行数据库操作并立即提供结果图形和结果列表。通过切片功能可以获得所分析模型在任何平面的结果。3.2有限元法3.2.1有限元思想简介有限单元法(finite element method, FEM)属于力学分析中的数值法，起源于航空工程中的矩阵分析，它是把一个连续的

40、介质(或构件)看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力。简言之，就是化整为零分析，积零为整研究。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。3.2.2有限元法求解步骤有限单元法的解题思路可简述为:从结构的位移出发，通过寻找位移和应变，应变与应力，应力与内力，内力与外力的

41、关系，建立相应的方程组，从而由已知的外力求出结构的内应力和位移。有限元法的分析过程，概括起来主要分为以下四步：结构离散化：将求解区域分割成许多具有某种特征的单元，对于连续需考虑选择单元的形状、数目和剖分方案，计算出各节点的坐标，并对单元和节点编号。单元特性分析：由于单元小，形状简单，可以选择简单且单元类型相适应的函数即位移函数近似的表示每个单元上真实的位移分布。将所有作用在单元上的力(表面力、体积力、集中力)等效的移置为节点载荷，这样就可以采用力学的变分原理，获得单元的平衡方程组。要达到这一目的，关键在于建立单元内节点位移与节点力的关系矩阵刚度矩阵。建立整体矩阵方程：将各单元的刚度矩阵集合成整

42、体刚度矩阵:各点单元的等效节点载荷向量集合成总的载荷向量，把整体结构的各单元矩阵方程合并成一个整体矩阵方程。整体矩阵方程求解：引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应力和应变。由于计算复杂，运算工作量大，往往要通过高性能电子计算机才能完成。3.3参数化建模参数化设计是当前CAE技术的重要研究领域之一，它是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，即通过改变模型的几何尺寸参数值来改变模型的几何形状，所以也称参数尺寸驱动。这些几何尺寸将以设计参数的形式保存在造型系统中，并生

43、存于模型设计的全过程，不仅为设计对象的几何特征提供了精确的数值描述，更重要的是，它为设计师提供了一种模型控制的手段，它与形状优化中的设计变量是一致的。以下为参数化设计的几种基本方法：代数法 人工智能法。直接操作法 语言描述法 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

44、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。本论文即采用该方法进行参数化建模。APDL（Ansys Parametric Design Language）语言是有限元分析软件ANSYS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APDL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。3.4 ANSYS的优化设计3

45、.4.1 ANSYS优化设计思想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

46、计。随着计算机的发展，结构分析能力和手段的不断完善，数学寻优技术的提高，结构优化已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。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，结构模糊优化；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题。结构优化有三个基

47、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。ANSYS的优化设计功能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

48、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ANSYS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。ANSYS中的设计变量、状态变量和目标函数总称优化变量。在ANSYS中这些变量是由用户定义的参数来指定的。设计变量（DVS），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。ANSYS优化程

49、序允许定义不超过60个设计变量。状态变量（SVS）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ANSYS优化程序中用户可以定义不超过100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ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。3.4.2优化过程优化过程是寻找给定函数取极大值(以max表示)或极小(以min表示)的过程。优化方法也称数学规划，是用科学方法和手段进行决策及确定最优解的数学。优化设计:根据给定的设计要求和现有的技术条件，应用专业理论和优

50、化方法，在计算机上从满足给定的设计要求的许多可行方案中，按照给定的指标自动地选出最优的设计方案。优化设计的一般过程可以用下图3-1来表示。 图3-1对一个实际机械优化设计问题，我们首先应对优化设计任务进行详细分析，收集有关资料，搞清所优化的机械产品应达到什么样的性能要求，并要综合考虑产品制造的工艺性、可靠性、产品的制造成本、工作条件和用户的需求等因素。应该根据所掌握的资料，制定出所应达到的目标;确定出影响目标的独立的设计参数(称设计变量)例如，一个产品的零部件尺寸直接影响产品体积和外形，因此可将零部件的尺寸作为体积目标优化的设计量。本论文中，设计变量见表6.1，状态变量为最大应变与最大应力，目

51、标函数为灰斗结构的质量。参数设定建立参数化几何模型局部参数化分网施加载荷及边界条件运行计算除尘器几何模型的合理简化导出分析文件确定目标函数设定设计变量和状态变量范围选择优化方法优化分析目标函数收敛满足约束条件输出优化结果修改设计变量否否是是将优化结果与原始设计进行分析对比为工程设计提出参考运用APDL语言建立参数化有限元模型运用ANSYS进行数值模拟图3-2 ANSYS软件建模和优化设计的示意图和流程第四章 袋式除尘器灰斗结构分析第四章 袋式除尘器灰斗结构分析4.1灰斗的结构形式从外形来分，灰斗主要分为锥形灰斗和船型灰斗（图4-1）。两种灰斗上部开口都为矩形或正方形;锥形灰斗卸灰口多为正方形，

52、船型灰斗卸灰口为狭长矩形（图4-2）。在灰斗跨距过大时，在灰斗内部自上而下布置多层水平撑管（图4-3）。图4-1图4-2图4-3从结构上来讲，灰斗由四块梯形壁板组合，形成斗状，再视其载荷大小，根据正常使用极限状态下变形要求，配置横筋和竖筋加强。灰斗属于双轴对称的结构。两种灰斗都属于壳体结构。典型的灰斗都是板壳带肋的结构。灰斗中无积灰或积灰很少时，灰斗主要受负压作用，负压作用为灰斗壁板的法向荷载。此时除灰斗自重和灰斗下部悬挂设备外，灰斗壁板不受其他面切向荷载。在卸灰前或者卸灰系统出现故障时，积灰达到一定数量，积灰荷载为主要荷载。此时灰斗壁板除法向受积灰荷载外，切向也受积灰荷载而使灰斗壁板受拉。灰

53、斗壁板的水平加劲肋承担相邻壁板传递的水平拉力和壁板法向受压时传递的弯矩;竖向加劲肋主要承受壁板法向受压时传递的弯矩。壁板面内拉力主要由壁板承担。当负压为主要荷载时，灰斗内部水平撑管受压;当积灰为主要荷载时，灰斗内水平撑管受拉。水平撑管有效减小了灰斗壁板的跨度。4.2灰斗的壳体建模分析灰斗为一典型的壳体结构，理论上说，按壳体模型进行分析最能反映实际情况。但由于灰斗几何形状复杂，经典的壳体理论难以求解，故长期以来工程中都是把灰斗分解成梁、板构件，加劲肋之间的板按四边简支板计算，加劲肋则按梁来考虑。结合设计图表，这种简化方法可以通过手算实现，很容易为设计人员接受。但这种方法有一定的局限性。随着有限元

54、软件的不断完善和计算机技术的不断发展，目前采用有限单元法用板壳单元模拟结构的真实构形，对结构进行基于壳体理论的多工况分析己可以实现。基于上述分析，本论文中灰斗结构采用壳体建模。4.3灰斗基本参数表4.1：灰斗基本参数（单位mm）灰斗参数顶面底面高锥角5780*5720300*300500060°横向加强筋参数横向角钢横向槽钢100*63*7140*60*8纵向加强筋参数纵向角钢100*63*74.4灰斗壳体模型的基本设定（按顺序）4.4.1定义单元格本论文中灰斗壳体采用SHELL181单元模拟。加强筋采用BEAM188模拟。SHELL 63单元支持应力刚化和大绕度，不支持大应变，仅能

55、通过实常数定义厚度。而SHELL181单元不仅支持应力刚化与大绕度，还支持大应变，且能通过实常数与横截面定义多层组合厚度。SHELL181单元能更好的模拟由板构成的型钢。SHELL181具备弯曲和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。这个单元在节点上有6个自由度：节点x、y、z方向的平动和绕节点x、y、z方向的旋转。它也具备了应力硬化和大变形能力。在大变形（有限的旋转）分析中可选择一致正切刚度矩阵这一选项。在SHELL181中显示了该单元的几何，节点位置和单元坐标系。它是通过四个节点、四个厚度、弹性支座刚度和正交各向异性的材料性质来定义。正交各向异性材料方向与单元坐标方向相对应。单元坐标系的方向正如坐标系中描述的那样。单元的x方向可以旋转THETA角（角度）。Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。Beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEY