基于ANSYS的袋式除塵器殼體有限元分析

楊 秀 杰

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

基于ANSYS的袋式除塵器殼體有限元分析

楊 秀 杰

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

以某電廠袋式除塵器殼體為研究對象，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行了優(yōu)化分析。對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量下降了15%以上，為袋式除塵器殼體設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供了可靠依據(jù)。

袋式除塵器，除塵器殼體，有限元分析

1 概述

近年來我國工業(yè)發(fā)展迅猛，隨之而來的是化石能源特別是煤炭大量消耗，從而導(dǎo)致大氣污染日趨嚴(yán)重，其中粉塵是造成大氣污染的主要因素之一。粉塵污染對環(huán)境造成了威脅，影響人類身體健康，越來越受到人們的重視。隨著大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)最新版的頒布和實(shí)施，燃煤鍋爐煙塵排放濃度要求十分嚴(yán)格。袋式除塵器具有除塵效率高、不受粉塵和煙氣特性影響、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，袋式除塵器作為一種高效除塵設(shè)備，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

除塵器殼體是除塵器的重要組成部分，它構(gòu)架了工藝流程與空間主體，是完成煙氣除塵的主要裝置，其殼體是骨架式箱型結(jié)構(gòu)。除塵器殼體出入口、灰斗、壁板、骨架式框架等，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬于多次超靜定框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力分析比較復(fù)雜。企業(yè)大部分是依靠經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用估計(jì)或簡化計(jì)算方法，設(shè)計(jì)人員為保證設(shè)計(jì)安全，往往會(huì)加大材料的用量，設(shè)計(jì)中隨意性比較大，造成材料浪費(fèi)，生產(chǎn)成本高[2]。因此有必要對袋式除塵器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文利用ANSYS有限元分析軟件分析了某電廠袋式除塵器殼體結(jié)構(gòu)承載能力情況，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考。

2 袋式除塵器結(jié)構(gòu)簡述

袋式除塵器通常由上箱體(凈氣室)、中箱體(過濾室)、灰斗、框架、脈沖噴吹裝置等部分組成。除塵器鋼框架是除塵器的主要承重體系，它把各種豎向和橫向荷載傳遞到基礎(chǔ)。中箱體是最大的殼體結(jié)構(gòu)，支撐于框架結(jié)構(gòu)上。袋式除塵器的中箱體殼體結(jié)構(gòu)通常為全鋼結(jié)構(gòu)，由鋼骨架和圍護(hù)板組成。它是安放濾袋，完成煙塵氣體凈化的空間。

本項(xiàng)目袋式除塵器過濾室殼體結(jié)構(gòu)主要包括骨架和密封板。主要采用型鋼，如工字鋼、H型鋼、槽鋼、圓鋼管等。

3 殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1分析軟件

本分析采用大型通用有限元分析軟件ANSYS。該軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國核安會(huì)(NRC)、美國宇航局(NASA)、中國鐵路機(jī)車車輛工業(yè)總公司、全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(CNSCPV)等近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。本分析中僅用了其中的多物理場分析模塊。

3.2荷載及組合

過濾室殼體結(jié)構(gòu)荷載主要由操作運(yùn)行條件產(chǎn)生，它所受的載荷主要有：箱體自重、積灰、煙氣壓力、風(fēng)載荷及上箱體相關(guān)設(shè)備的重力。所考慮荷載如下：

1)自重：包括殼體本身自重及上部凈氣室重量;

2)附件檢修荷載：除塵器上所有附件重量及檢修荷載;

3)灰斗積灰荷載：灰斗中積灰按8 h灰量考慮;

4)煙氣壓力荷載：設(shè)計(jì)壓力;

5)風(fēng)荷載。

以上所考慮的各種荷載系數(shù)如表1所示。

表1 荷載分項(xiàng)系數(shù)與組合系數(shù)

3.3結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，在Ansys軟件中使用殼單元Shell181和梁單元Beam188組合建立模型。Shell181單元是三維殼單元，適用于薄殼和中厚殼結(jié)構(gòu)的分析。該單元具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，即沿著X,Y,Z方向的平動(dòng)和繞著X軸,Y軸,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。Beam188適合作細(xì)長的或適當(dāng)短粗一些的梁結(jié)構(gòu)，這種單元基于Timoshenko梁理論，并包含了剪切變形的影響。Beam188單元有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，但它是立體的，可以通過定義截面形狀來定義它的各個(gè)尺寸，可模擬的各種截面形狀。

該項(xiàng)目過濾室殼體總長40 m，寬22.6 m，高10.2 m。根據(jù)該項(xiàng)目袋式除塵器結(jié)構(gòu)尺寸，建立了有限元模型，如圖1所示。

表2 分析結(jié)果校核表

3.4分析結(jié)果

使用ANSYS軟件施加所考慮的各種荷載，得出了有限元分析結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果對桿件進(jìn)行了優(yōu)化，最終結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布以及變形云圖如圖2，圖3所示，計(jì)算結(jié)果校核表如表2所示。

本工程最初設(shè)計(jì)方案，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取桿件，但是結(jié)構(gòu)用鋼量較大，經(jīng)濟(jì)性較差，通過有限元分析后，對過于保守的桿件進(jìn)行了優(yōu)化減重，最終結(jié)構(gòu)用鋼量明顯減少，比最初設(shè)計(jì)方案減小了15%以上，達(dá)到了優(yōu)化的目的，該項(xiàng)目最終采用了優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文利用ANSYS有限元分析軟件，對某電廠袋式除塵器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，最終得到了殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化截面尺寸并且減少了鋼材用量。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量下降了15%以上，為袋式除塵器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供了可靠依據(jù)。

[1] 譚志洪，劉來瑞，劉麗冰，等．大型袋式除塵器鋼支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29(2)：121-125．

[2] 姜鳳有.工業(yè)除塵設(shè)備[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2007:384-432．

[3] 錢 磊,朱 勇.袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37(4)：23-24．

[4] 侯永超,楊兆建,王義亮.大型電除塵器底梁及支架的有限元分析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36(3)：293-295．

[5] GB 13223—2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

AfiniteelementanalysisofbagfilterprecipitatorshellbasedonANSYS

YangXiujie

(DatangEnvironmentIndustryGroupCo.,Ltd,Beijing100097,China)

Optimum analysis on precipitator shell structure of bag filter in a power plant was studied on with ANSYS software used in finite element analysis. According to the analysis results, the structures of the precipitator shell can be optimized. After the optimization, the weight of precipitator shell reduces more than 15 percent. The result has certain reference significance in the design of precipitator shell of bag filter.

bag filter, precipitator shell, finite element analysis

1009-6825(2017)28-0204-02

2017-07-25

楊秀杰(1982- )，男，碩士，工程師

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