大型袋式除塵器中箱體結構穩定性分析

摘 要：除塵器結構失穩失效在實際工程中時有發生，設計時在強度滿足要求的前提下，還需特別關注結構的穩定性能。本文以袋式除塵器的中箱體結構為例，采用ANSYS有限元分析軟件先通過線性特征值屈曲分析計算出中箱體結構的理論臨界屈曲載荷，在考慮初始缺陷、幾何非線性和材料非線性的影響下，采用非線性特征值屈曲分析計算中箱體結構的實際極限承載載荷。計算結果表明，線性特征值屈曲分析計算結果偏大；只有非線性特征值屈曲分析才能準確地計算出結構的極限承載能力。

關鍵詞：除塵器中箱體 穩定性分析 初始缺陷 極限承載力

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0094-03

近年來，袋式除塵器在煙氣治理方面應用廣泛，但目前除塵器的結構設計主要采用類比法進行經驗、半經驗設計，缺少相應的標準和設計規范，導致設計不夠合理和精確[1]。目前，不斷發展的CAE技術在除塵器部件結構、整機結構的強度計算和穩定性校核中應用較多，但主要采用線性分析方法，而采用非線性分析方法的尚不多見。

結構失穩是鋼結構的主要失效形式之一，設計時必須予以重視，結構失穩分為平衡分叉失穩、極值點失穩和躍越性失穩[2]。結構穩定性分析的主要目的是確定結構的失穩臨界載荷，常用的分析方法包括線性特征值屈曲分析和非線性特征值屈曲分析，以上兩種方法逐漸成為結構穩定性分析的有力工具[3]。本文以除塵器的中箱體結構為例，采用線性特征值屈曲分析和非線性特征值屈曲分析分別計算中箱體結構的失穩臨界載荷，通過計算結果評定其穩定性能和極限承載能力。

1 中箱體結構計算模型

袋式除塵器中箱體結構外形尺為6200mm×4200mm×7500mm，側板和端板的板厚為4mm，側板槽鋼加強筋截面為C160mm×63mm×6.5mm，角鋼加強筋截面為L100mm×63mm×8mm，端板槽鋼加強筋截面為C200mm×75mm×9mm，角鋼加強筋截面L100mm×63mm×8mm，工字鋼加強筋截面為HW200mm×150mm×9mm×6mm，撐管截面○102mm×90mm。模型如圖1所示。

所有構件材質為Q235B，材料的彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強度為215MPa，非線性特征值屈曲分析采用理想彈塑性模型。采用SHELL181單元進行網格劃分。中箱體結構主要設計載荷有負壓、積灰載荷、結構自重、風載以及其他相連接部件傳遞給中箱體的載荷。載荷統計見表1。

中箱體結構約束分析：中箱體底部槽鋼加強筋焊接在除塵器底梁結構的上表面，底梁結構自身剛度大，且焊接在底梁上的灰斗結構對底梁有很大的加強作用[4]，因此在中箱體底部槽鋼加強筋下表面施加全約束；中箱體頂部槽鋼加強筋與除塵器的噴吹箱焊接，噴吹箱自身以及與其相連的上箱體剛性都很強，因而有很強的平面內剛度和平面外剛度，因此在中箱體頂部槽上上表面施加3個轉動自由度約束和X，Z方向的平移自由度約束。

2 中箱體線性特征值屈曲分析

線性特征值屈曲分析一般用于預測理想彈性結構的理論屈曲強度，計算時中不考慮非線性因素和初始缺陷的影響，因此其計算結果通常為結構失穩臨界載荷的上限，只能作為參考。另外線性特征值屈曲分析只能求得對應的失穩模態，不能求出具體的失穩后變形。線性特征值屈曲分析可歸結為求解線性特征值問題，將求得的特征值從小到大排列為λ1，λ2，…λn分別稱為：一階特征值，二階特征值…n階特征值，其對應的特征向量φ1，φ2，…φn分別稱為：一階屈曲模態，一階屈曲模態，…n階屈曲模態。特征值乘以所施加載荷為結構對應的失穩臨界載荷。

分析時設計載荷為組合工況：1.2×恒+1.4×活1+0.98×（活2+活3）=2.06×105Pa，采用子空間迭代法，提取的特征值數值為6，最后進行擴展解處理，中箱體結構在該載荷作用下的前六階特征值（見表2）和屈曲模態（只列出了一階、六階屈曲模態圖（圖2、圖3），其他略）。

中箱體一階屈曲模態圖顯示外側板最先出現屈曲變形，變形位于外側板中部，說明該部位最為薄弱；內側板從第六階開始出現屈曲變形，變形位于內側板中上部，端板在前6階屈曲模態中沒有發生屈曲變形。線性特征值屈曲分析計算得到的一階失穩臨界載荷P1=5.01×105Pa；六階失穩臨界載荷P2=5.96×105Pa。其中一階失穩模態對應的失穩臨界載荷為中箱體結構的理論臨界屈曲載荷。

3 中箱體非線性特征值屈曲分析

非線性特征值屈曲分析通過采用逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術求出使結構開始變得不穩定時的臨界屈曲載荷。非線性特征值屈曲分析可以綜合考慮結構的強度和穩定性問題，通過載荷—位移曲線可以把結構的強度和穩定性以至于剛度的整個變化歷程清楚的表示出來。分析過程中考慮材料和幾何非線性因素以及結構的初始缺陷對結構承載性能的影響，得出其真實的極限承載載荷。

分析時施加在中箱體結構上的載荷為k×[1.2×恒+1.4×活1+0.98×（活2+活3）]，k值只需大于線性特征值屈曲分析時的一階特征值2.4282即可，本次計算k取2.6，結構初始缺陷取中箱體線性屈曲分析一階屈曲模態的1/300，其他載荷與約束條件和線性分析時相同。計算得到的外側板位移（X方向）最大節點5086和內側板位移（X方向）最大節點76827的載荷—位移曲線如圖4、圖5所示。

計算結果表明：中箱體結構在負壓、積灰載荷、結構自重、風載以及其他載荷逐漸增加過程中外側板中部最先發生屈曲變形，變形位置與線性特征值屈曲分析時相同。最先發生屈曲變形節點（編號為5086）的載荷——位移曲線出現明顯的轉折點，表現為極值臨界載荷點，其值為4.2×105Pa；內側板位移最大節點（編號為76827）的載荷——位移曲線沒有出現明顯的轉折點，表明內側板在該載荷作用下不發生屈曲變形。

4 結論

（1）線性特征值屈曲分析結果顯示外側板中部最先發生屈曲變形；內側板從第六階開始在中上部出現屈曲變形，屈曲臨界載荷分別為5.01×105Pa和5.96×105Pa。因此中箱體結構失穩臨界載荷P1=5.01×105Pa，與設計載荷之比為2.43，中箱體結構穩定安全系數較大。

（2）非線性特征值屈曲分析結果顯示外側板最先發生屈曲變形的位置與線性特征值屈曲分析時相同，內側板在該載荷作用下不發生屈曲變形。中箱體結構失穩臨界載荷為4.2×105Pa，與設計載荷之比為2.04，中箱體結構穩定安全系數較大。

（3）非線性特征值屈曲分析得到的失穩臨界載荷與線性特征值屈曲分析得到失穩臨界載荷相比，下降了16.2%，結果表明非線性分析法計算結果更加準確，實際工程設計中采用非線性特征值屈曲分析方法計算結構的失穩臨界載是非常有必要的。

參考文獻

[1] 陳建來，丁曉紅，王峰，等.大型電除塵器灰斗結構分析及優化設計[J].礦山機械，2008（15）：102-105.

[2] 陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2006.

[3] 唐敢，王法武，吳靖坤.具有隨機幾何缺陷的大跨度單層球面網殼穩定性分析[J].鋼結構，2008，23（5）：1-6.

[4] 譚志洪，張祖輝，王作杰，等.基于ANSYS的袋式除塵器底梁結構分析優化設計[J].煤礦機械，2010，31（7）：31-33.