电除尘器灰斗的优化及软件的研制

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1、1电除尘器灰斗的优化及软件的研制电除尘器灰斗的优化及软件的研制曹友洪 潘伶 （福州大学 机械工程学院，福州 350002） 摘摘 要要：以有限元结构分析和优化算法相结合为手段，对电除尘器灰斗结构尺寸进行优化， 建立了灰斗的有限元模型，优化数学模型。应用APDL编制了优化设计程序，应用UIDL编 制了用户用界面。通过软件封装有限元模型、优化数学模型等要素，即使对于ANSYS和优 化不熟悉的普通设计人员也能使用。因此，该优化软件可广泛应用于电除尘器灰斗的实际 设计工程中。 关键词关键词：电除尘器灰斗；有限元；优化；APDL；UIDLThe optimization and the develop

2、ment of software for electric precipitators bucketCao Youhong，Pan Ling(College of Mechanical Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, 350002,China) Key word: precipitators bucket; finite element ;optimization; APDL; UIDL Abstract: By means of combining the structure analysis of finite element with op

3、timization algorithm, the structure sizes of electric precipitators bucket were optimized, and the finite element model of the bucket, optimization mathematics model were established. The optimized design program was written by APDL and the user interface was written by UIDL. With the elements such

4、as finite element model and optimization mathematics model enveloped by the software, it could make the common designer unfamiliar with the ANSYS and optimization use it. Therefore, the optimization software could be widely applied to the design engineering of the electric precipitators bucket.1 前言电

5、除尘器是广泛用于火电厂、水泥厂、钢铁厂等用于吸收粉尘的大型环保设备。传统 的电除尘器本体设计很大一部分依靠设计人员的经验，在设计中采用简化计算方法，设计 人员为保证设计安全，往往会加大材料的用量，设计中随意性比较大，造成材料的浪费。 现代结构优化是伴随计算机技术、有限元方法和数学规划法的发展而迅速发展起来的 一门学科，它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为现代设计的 重要手段。2电除尘器灰斗结构电除尘器灰斗的作用是收集极板掉下来的粉尘，灰斗的大口焊接在壳体下部，小口接 输灰系统。灰斗的结构为典型的板筋结构，图1是电除尘器灰斗的结构示意图。整个灰斗由 前板1、后板2、左侧板3

6、和右侧板4组成，其中前板和后板对称，左侧板和右侧板对称，各 板外表面焊接有加强筋5，且各板相邻的加强筋等高，加强筋为槽钢、角钢等型钢，灰斗内 部设置有内撑6，内撑也由型钢构成，灰斗材料选用Q235。灰斗设计计算时，考虑物料产 生的法向压力，钢板自重产生的法向压力以及保温层自重产生的法向压力。23 电除尘器灰斗优化模型3.1 电除尘器灰斗参数化建模运用APDL（ANSYS Parametric Design Language）语言1，对电除尘器灰斗进行参数 化建模，按灰斗满载粉尘以及考虑板自重和保温层工况进行结构优化，以寻求更为合理的 灰斗结构参数。建模时，灰斗的各板选用shell63板单元，加

7、强筋和内撑选用beam188梁单 元。3.2目标函数对灰斗优化的目的是在满足强度和刚度条件下寻求质量最小的灰斗结构，故选取灰斗 的质量作为评价灰斗好坏的标准，即灰斗的质量为目标函数，M(x)=V(x)*，其中V(x)为 灰斗所用材料的体积，为钢材的密度。3.3设计变量由于前板和后板对称，左侧板和右侧板对称，因此，取前板和侧板的参数为设计变量，图 1：电除尘器灰斗结构示意图 1.前板；2.后板；3.左侧板；4.右侧板；5.加强筋；6.内撑3其中x1为前板和侧板的板厚，x2,x3,x4xn为前板和右侧板加强筋型钢尺寸型号，用矢量 表示为Xx1,x2,x3xn。3.4约束函数按灰斗满载粉尘以及考虑板

8、自重和保温层工况模拟灰斗受力情况，对灰斗的强度约束 采用Von Mises应力约束，即max(x)，其中max(x) 为灰斗所受的最大Von Mises应力，为许可应力。根据电除尘器设计理论3，灰斗的最大挠度常应小于当量板跨距1/100， 即vmax(x) v，其中vmax(x)为灰斗的最大挠度，v=L/100，L为当量板跨距。 由于所用加强筋为热轧型钢，型钢截面几何尺寸国家都有规定，因此型钢尺寸为离散 型变量，根据灰斗的实际设计情况，若加强筋为槽钢，用C表示，则有 8，10，12.6，14，16，18，20七种型号，即X=x2,x3xn8,10,12.6,14,16,18,20，若 加强筋为

9、角钢，用L表示，则有10，11，12.5，14，16，18，20七种型号，即X=x2,x3xn10,11,12.5,14,16,18,20。3.5 优化算法采用 ANSYS 软件的一阶优化方法。一阶方法通过对目标函数添加罚函数将问题转换 为非约束的。一阶方法使用因变量对设计变量的偏导数，在每次迭代中，梯度计算确定搜 索方向，并用线搜索法对非约束问题进行最小化。一阶方法将真实的有限元结果最小化， 因此这种优化方法结果精确。4 设计实例以下利用实际工程例子说明灰斗的优化过程。有某公司的电除尘器灰斗，其结构设计 尺寸参数表 1 如下：前板上口宽0.3前板筋型号侧板筋型号前板筋间距内撑位置/型号前板下

10、口宽4.078C 8C0.379 3/12.6C前板长度6.151 8C 8C 0.49 5/14C侧板上口宽0.3 8C 10C 0.607 7/16C侧板下口宽6.28 10C 12.6C 0.629板厚0.005侧板长度5.655 12.6C 14C 0.706注： 单位：m加强筋数/板7 14C 16C 0.778内撑个数3 16C 20C 0.938表 1：灰斗结构设计尺寸44.1 优化过程首先运用 APDL，建立电除尘器灰斗的有限元模型，由于灰斗的对称性，为了加快计 算机的运算速度，所以取灰斗的 1/4 模型进行分析，如图 2：接着定义好优化数学模型，优化数学模型如下： 求 X =

11、x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12,x13,x14,x15Min M(x) =V(x)* S.T.max(x); vmax(x)v X=x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12,x13,x14,x158,10,12.6,14,16,18,20 其中max(x), vmax(x)和v为设计变量的隐函数，通过有限元分析获得。 再接下来利用ANSYS的一阶优化方法进行优化分析，得到优化结果。4.2优化结果及分析优化迭代在第35次循环时达到最优解。从图3和图4可以看出灰斗结构经过优化设计后， 结构的尺寸有一定幅度的减少。其中x14

12、的尺寸从16号槽钢变为10号槽钢，x7和x13的尺寸 从14号槽钢变为10号槽钢，这三个尺寸在所有的优化尺寸中下降得比较厉害。其原因，可 从灰斗有限元模型中分析得出：图 2：1/4 灰斗有限元模型5x14代表侧板第6根加强筋，x7代表前板第六根加强筋，x13代表侧板第5根加强筋，由 于灰斗的约束是防止板的应力和挠度不要超过许用应力和许用挠度，计算表明，在板的挠 度达到极限时，板的应力还有一定的富余，因此，主要约束要保证板挠度不要过大。灰斗 板上焊接加强筋能减小板的应力和挠度，但并不是加强筋型号越大越好，当加强筋的大小 达到一定值时，再加大板上的加强筋的型号对于减小板的挠度作用并不明显，而板的内

13、撑 对于减小板的挠度效果明显，因而减小板的挠度应更多从怎么合理地加内撑的角度来考虑。 原设计没有很好考虑内撑的作用，而是加大板上加强筋的尺寸大小，造成材料富余较多， 所以有比较大的优化空间。从灰斗结构尺寸参数优化结果表2， （其中设计变量只列出尺寸有变化的量） 可以看出：1）第一次循环代表灰斗的初始结构尺寸，在第35 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1/4灰斗的质量从964.26kg 下降到839.58kg， 下降了12.93。 2）灰斗优化前的最大应力为127.71Mpa，优化后结构最大应力提高到166.72Mpa，仍然小 于许用应力235Mpa，

14、还有一定的富余。灰斗优化前的最大挠度为24.59mm，优化后最大挠 度提高到36.19mm，达到了极限挠度。这是由于灰斗部份尺寸在优化中下降，而使应力和 挠度升高，但优化后的最大应力和最大挠度仍然小于许用应力和许用挠度。5优化软件的研制5.1软件界面的编制在电除尘器灰斗的优化中，灰斗使用APDL实现参数化设计，这样对于不同尺寸的灰循环X1 /mmX6 /CX7 /CX8 /CX12 /CX13 /CX14 /Cmax /Mpavmax /mmM /kg1512.6141612.61416127.7124.59964.26354.4101014101010166.7236.19839.58表 2

15、：灰斗结构尺寸参数优化结果图 3：板厚优化循环图图 4：加强筋优化循环图6斗，该程序也能实现对灰斗的优化设计。然而，由于没有用户界面，输入参数时要进入源 程序中修改参数，这样恐怕很少人能读懂程序，对于普通的设计人员来说，就不能使用。 为此，可利用UIDL（User Interface Design Language）语言2，为优化程序编制相应的参数 输入对话框，提高软件的交互性。图5是用UIDL编制的ANSYS Main Menu，图6是灰斗板 参数的输入对话框。由于只要在对话框中输入相应的参数就能得到优化结果，因此，对于 ANSYS和优化不熟悉的普通设计人员也能使用。5.2优化软件的结构 该

16、优化软件由三大部分9个宏文件组成。第一部分为参数输入，包括灰斗参数、前板筋 参数、侧板筋参数和内撑参数输入四个宏文件；第二部分为优化部分，包括生成灰斗有限 元模型、运算求解模型和优化三个宏文件；第三部分为结果显示部分，包括观察模型求解 结果和观察优化结果两个宏文件。图6是程序的数据流程图，每个框代表一个宏文件。图 5：ANSYS Main Menu图 4：灰斗板参数输入对话框76结论在ANSYS环境下，基于APDL语言的有限元参数化建模优化，实现了电除尘器灰斗结 构尺寸参数的优化，计算表明该优化方案能有效地减轻电除尘器灰斗的重量，提高灰斗的 可靠性和安全性。这种获得优化解的设计方法是对电除尘器灰斗进行优化设计的有效方法， 可广泛应用于灰斗的优化设计中。 完成电除尘器灰斗优化设计的关键是建立合理的有限元模型、优化数学