电除尘器灰斗的优化及软件的研制

1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）[e-mail]摘要：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：电除尘器灰斗；有限元；优化；APDL；UIDLTheoptimizationandthedevelopmentofsoftwareforelectricprecipitator’sbucketCaoYouhong，PanLing(CollegeofMechanicalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,350002,China)Keyword:precipitator’sbucket;finiteelement;optimization;APDL;UIDLAbstract:Bymeansofcombiningthestructureanalysisoffiniteelementwithoptimizationalgorithm,thestructuresizesofelectricprecipitator’sbucketwereoptimized,andthefiniteelementmodelofthebucket,optimizationmathematicsmodelwereestablished.TheoptimizeddesignprogramwaswrittenbyAPDLandtheuserinterfacewaswrittenbyUIDL.Withtheelementssuchasfiniteelementmodelandoptimizationmathematicsmodelenvelopedbythesoftware,itcouldmakethecommondesignerunfamiliarwiththeANSYSandoptimizationuseit.Therefore,theoptimizationsoftwarecouldbewidelyappliedtothedesignengineeringoftheelectricprecipitator’sbucket.1前言电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（ANSYSParametricDesignLanguage）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)*ρ，其中V(x)为灰斗所用材料的体积，ρ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，其中x1为前板和侧板的板厚，x2,x3,x4……xn为前板和右侧板加强筋型钢尺寸型号，用矢量图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表示为X∈[x1,x2,x3……xn]。3.4约束函数按灰斗满载粉尘以及考虑板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VonMises应力约束，即σmax(x)≤[σ]，其中σmax(x)为灰斗所受的最大VonMises应力，[σ]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,x3……xn]∈[8,10,12.6,14,16,18,20]，若加强筋为角钢，用L表示，则有10，11，12.5，14，16，18，20七种型号，即X’=[x2,x3……xn]∈[10,11,12.5,14,16,18,20]。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：4.1优化过程前板上口宽0.3前板筋型号侧板筋型号前板筋间距内撑位置/型号前板下口宽4.078C8C0.3793/12.6C前板长度6.1518C8C0.495/14C侧板上口宽0.38C10C0.6077/16C侧板下口宽6.2810C12.6C0.629板厚0.005侧板长度5.65512.6C14C0.706注：单位：m加强筋数/板714C16C0.778内撑个数316C20C0.938表1：灰斗结构设计尺寸4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=[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12,x13,x14,x15]MinM(x)=V(x)*ρS.T.σmax(x)≤[σ];vmax(x)≤[v]X’=[x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12,x13,x14,x15]∈[8,10,12.6,14,16,18,20]其中σmax(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，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（UserInterfaceDesignLanguage）语言[2]，为优化程序编制相应的参数输入对话循环X1/mmX6/CX7/CX8/CX12/CX13/CX14/Cσmax/Mpavmax/mmM/kg1512.6141612.61416127.7124.59964.26354.4101014101010166.7236.19839.58表2：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框，提高软件的交互性。图5是用UIDL编制的ANSYSMainMenu，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：ANSYSMainMenu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、优化数学模型，选取合理的优化参数并且熟悉ANSYS参数化设计语言。通过软件把这些要素封装起来，对于使用者来说，只要按部就班地往对话框中输入参数，因此，即使对于ANSYS和优化不熟悉的普通设计人员也能利用该软件实现灰斗的优化。该软件的使用对于提高电除尘器灰斗的设计效率和设计准确性，缩短设计周期，降低设计成本具有重大意义。参考文献：[1]ANSYSAPDLProgrammer'sGuide[2]ANSYSUIDLProgrammer'sGuide[3]林宏等.电收尘器（理论、设计、使用）[M].北京:中国建筑工业出版社.1987[4]孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社.2004[5]博弈工作室.ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社.2005[6]段志东.