除尘器

布袋除尘器花板优化软件的开发

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-03-15 14:16:51

摘要:在有限元分析软件ANSYS平台上,利用参数化设计语言APDL和用户界面设计语言UIDL,根据布袋除尘器花板结构的特点,以有限元分析和优化算法相结合的手段,建立了花板的有限元参数化模型和优化数学模型。应用APDL编制花板有限元优化计算程序,应用UIDL编制用户界面。通过软件封装布袋除尘器花板有限元模型、优化数学模型等要素,使得对于有限元和优化不熟悉的普通设计人员也能使用。该优化软件可广泛应用于布袋除尘器花板的实际设计工程中。

关键词:布袋除尘器花板;有限元;优化;ANSYS

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布袋除尘器广泛用于冶金、矿山、火电厂、水泥厂和化工厂等,它是用来吸附粉尘净化空气的大型环保设备。花板为布袋除尘器的重要部件之一,花板的结构参数和性能直接关系到滤袋的性能,进而影响到布袋除尘器的除尘效率和使用维护。目前,国内布袋除尘器花板的工程设计多采用经验类比设计,然而由于每台布袋除尘器的工况条件是不一样的,采用类比设计造成设计与实际工况相差较大,设计人员为保证安全,往往会留有较大富余量,造成不必要的浪费。

计算机技术和有限单元法的飞速发展,使得以有限单元法为基础的大型通用商业软件得到广泛应用。目前,国外的大型布袋除尘器生产商大多采用计算机参数化设计,能够在设计过程中及早发现不足之处,提高设计质量,缩短产品研发周期。但是国外这些布袋除尘器生产商除尘器设计软件的代码并不完全公开,而且国内外设计标准不完全相同。

随着我国对环境保护要求的提高,布袋除尘器得到广泛的应用并且对它的研究也有了较大的发展,许多高校对布袋除尘器钢结构本体进行数值计算与研究,我国的一些研究所和企业也陆续建立了布袋除尘器实验装置,十几个大型布袋除尘器厂都装备了自己的实验室,开展了布袋除尘器的实验研究工作。

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目前国内各生产商和高校对除尘器的研究主要集中在对内部流场的模拟仿真,对布袋除尘器本体钢结构的设计主要是根据经验类比,很少对其进行理论计算和优化设计,更没有针对本体钢结构开发专用优化设计软件,这就导致国内布袋除尘器本体结构设计的可靠性不高,有时过于保守,耗用钢材较多,加工粗糙,材料布置不够合理等问题。本文开发的有限元优化设计软件可广泛应用于布袋除尘器花板的实际设计工程中。

1布袋除尘器花板结构

布袋除尘器花板是布袋除尘器的重要部件之一,起着固定滤料袋笼作用。布袋除尘器花板为平板,平板按照工艺要求规律钻孔,为保证钻孔后花板的强度和刚度,花板面上焊接有加强扁钢,这样花板结构就为板筋结构。图1是布袋除尘器花板的结构示意图。花板由板、袋笼孔和加强扁钢组成,花板四周焊接在壳体型钢上,花板材料选用Q235。花板设计计算时,主要考虑由于烟气通过滤料而产生的极限压差、花板的积灰重量和袋笼和滤料上积灰重量。

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2布袋除尘器花板有限元计算与优化

2.1布袋除尘器花板参数化建模

运用ANSYS参数化设计语言APDL,对布袋除尘器花板进行参数化建模,按花板承受极限压差、花板的积灰重量、袋笼和滤料上积灰重量工况进行结构优化,以寻求更为合理的花板结构参数。建模时,选用四节点弹性壳单元shell63模拟花板,选用三维两节点线性梁单元beam188模拟加强扁钢。

2.2目标函数

在满足刚度和强度条件下求得花板结构质量最小值是对花板优化的目的,即以花板的质量为目标函数:

M(x)=V(x)ρ

式中:V(x)为花板所用材料的体积;ρ为钢材的密度。

2.3设计变量

取花板的板和加强扁钢尺寸为设计变量,其中thickness为花板的板厚,b和h分别为加强扁钢的厚度和高度。

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2.4约束函数

以花板承受的极限载荷模拟花板受力情况,对花板的强度约束采用von Mises等效应力约束,即:

σmax(x)≤[σ]

式中:σmax(x)为壳体所受的最大von Mises应力;[σ]为许可应力。

花板的最大挠度应小于加强扁钢长度的1/250,即:

vmax(x)≤[v]

式中:vmax(x)为花板的最大挠度;[v]=L/250,L为花板加强扁钢长度。

由于所用加强扁钢截面几何尺寸国家都有规定,因此扁钢尺寸为离散型变量,根据花板的实际设计情况,扁钢截面尺寸范围为:

b∈[0.004,0.005,0.006,0.007,0.008,0.009,0.01]

h∈[0.04,0.045,0.05,0.055,0.06,0.065,0.07,0.075,0.08,0.085,0.09,0.095,0.1]

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2.5优化算法

使用ANSYS高级分析优化算法中的一阶方法,通过对目标函数添加罚函数将问题转换为更有效率的非约束问题。一阶方法将真实结果最小化,因此这种优化方法结果精确。在每次迭代中,用最大斜度法或共轭方向法确定搜索方向,并用线搜索法对非约束问题进行最小化。这就使得一次迭代有多次分析循环。

3花板建模与优化功能扩展

ANSYS由于建模功能和人机交互性的缺陷,每次花板的建模和优化计算都必须花费大量的时间和精力,而且有限元建模计算需要具备比较完善的理论知识,而工程设计人员并非都有这一能力,这就限制了有限元分析软件在花板设计中的普及使用。为解决上述问题,可对ANSYS进行二次开发,扩展ANSYS的建模和优化功能,对于设计人员而言,只需要知道输入数据和输出结果,而无需过问中间的建模计算和优化过程,这样扩大了使用人群并减少建模优化计算的周期。

3.1花板优化设计流程

见图2。

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花板参数化定义:花板能够进行优化设计的前提是花板的有限元模型必须是参数化的,为此在花板建模之前必须定义好花板的各个参数,当花板的条件变化时,这些参数的值也应能变化。

花板参数化建模:根据工程实际需要,把花板的实际工程问题转化为有限元计算模型,根据定义好的花板参数建立花板参数化的有限元模型。

计算分析优化:对花板有限元模型进行计算,提取所需的优化参数进行优化计算。

优化结果分析:花板优化分析后可导出应力、应变、优化前后花板参数对比等结果,设计人员可根据优化结果选取最优的参数进行花板设计。

3.2花板优化设计界面

花板使用APDL实现参数化优化设计,优化分析程序可以对各种尺寸的花板进行结构优化设计。但是,对于没有接受过有限元和有限元分析软件学习的设计人员来说,当他们进入源程序中输入参数时,往往难以读懂程序,更不用说使用该程序进行优化设计,而且这样也容易破坏源程序。为此,必须利用用户界面设计语言UIDL,为花板优化程序编制相应的参数输入和输出对话框,这样程序的交互性将大大提高。图3是用UIDL编制的ANSYS Main Menu,图4是花板参数的输入对话框。

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4计算实例

以下利用实际工程例子说明花板的有限元计算与优化过程。某型布袋除尘器共有12个除尘室,每个除尘室对应一块花板,花板结构设计尺寸参数如表1所示。设计人员在参数对话框中输入所需参数,程序会自动建立花板的有限元计算模型。花板有限元模型共有10516个节点,9358个shell63单元,1158个beam188单元。

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优化迭代在第5次循环时达到最优解,从图5和表2可以看出:

(1)花板结构经过优化计算后,结构的尺寸有一定幅度的减少。其中花板的板厚变化比较明显,从原0.06m变为0.003m。

(2)花板在第5次循环结束后,得到了在当前约束、载荷下的最优结构参数,优化的成效直接体现在单块花板的质量从61.23kg下降到33.59kg,下降了45.14%。

(3)花板优化前的最大应力为10.3MPa,最大变形量为0.119mm,优化后花板最大应力提高到20.2MPa,最大变形量提高到0.289mm,这是由于花板的板厚和加强扁钢材料尺寸在优化中减小。优化后的最大应力仍然小于Q235的许用应力142MPa,最大变形量仍然小于加强扁钢长度的1/250(4.22mm),这是由于材料尺寸已达可选材料的最小值,可见花板的承载能力还有一定的富余。

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5结论

利用有限元分析软件ANSYS内部开发工具APDL和UIDL,完成了花板优化计算软件程序的二次开发。优化了布袋除尘器花板结构尺寸,减少了重量,同时提高了花板的可靠性。通过ANSYS一阶优化算法得到优化解的设计方法是进行布袋除尘器花板优化设计的有效方法,可广泛地应用于布袋除尘器花板的优化设计中。

建立合理的有限元模型和优化数学模型、选取合理的优化参数是布袋除尘器花板优化设计的关键。通过编制优化程序把这些要素封装起来,对于使用者来说,只需要知道输入数据和输出结果,而无需过问中间的建模计算和优化过程,该程序人机交换性好,使用起来简单方便。花板优化程序对于提高布袋除尘器花板的设计效率和设计质量、缩短设计周期、降低成本具有重大意义。

有关更多布袋除尘器花板优化软件的开发信息,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。