袋式除塵器產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

□□王作杰，李桂超

袋式除塵器產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

Modern Design Technology of Gag Filter

□□王作杰，李桂超

基于現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的袋式除塵器產(chǎn)品研發(fā)，通過建立參數(shù)化模型有限元網(wǎng)格計算及協(xié)同CAE分析，實現(xiàn)產(chǎn)品零部件及整機結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化。針對袋式除塵器產(chǎn)品設(shè)計要求，研發(fā)了CAX／CFX輔助設(shè)計系統(tǒng)，定制了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程，研發(fā)了柔性化設(shè)計工具軟件。應(yīng)用表明：采用人機交互及自動化集成相結(jié)合的計算機輔助優(yōu)化設(shè)計方法，基于現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的綜合應(yīng)用工具，從整體上提升了袋式除塵器產(chǎn)品研發(fā)水平；通過直接面向用戶的快捷設(shè)計及穩(wěn)健設(shè)計模式，針對實際工況確定優(yōu)化子結(jié)構(gòu)模型及優(yōu)化函數(shù)，最大限度利用已有設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計工具及設(shè)計規(guī)范。

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化；袋式除塵器；CAX／CFX

1 引言

隨著國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，作為能夠?qū)ξ⒓?xì)粉塵排放進(jìn)行高效控制的袋式除塵器，已經(jīng)在電力、制藥、水泥、冶金、化工等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]的統(tǒng)計顯示，國內(nèi)袋式除塵器的使用比例占整體除塵設(shè)備使用數(shù)量的60%；水泥行業(yè)使用比例達(dá)到75%左右，并在逐年擴大；鋼鐵、有色冶金行業(yè)袋式除塵器的使用比例達(dá)95%；電力行業(yè)袋式除塵器的使用比例也正在迅速擴大。

大型袋式除塵器產(chǎn)品因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型碩大、單用戶定制、零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度低等特點，使得設(shè)計工作量大、周期長，成為制約袋式除塵器產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用等各個環(huán)節(jié)的發(fā)展瓶頸問題。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品在設(shè)計階段可以決定其制造成本的75%～80%［2］，同時還可以極大影響其運行和維修成本。因此，對袋式除塵器產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益。

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司針對上述問題，在袋式除塵器的產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)方面做了深入探討，研發(fā)出面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的集成多個設(shè)計、分析平臺的多參數(shù)、多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化軟件，以期縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計及制造成本，提高安全可靠性，增強企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力。

2 產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)及袋式除塵器產(chǎn)品特點

隨著科技進(jìn)步和設(shè)計工具特別是電子計算機技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計的自動化和精密計算得以實現(xiàn)。在繼承了基于直覺、經(jīng)驗、半理論半經(jīng)驗的所謂“傳統(tǒng)設(shè)計”的精華后，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本等綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助技術(shù)（CAX）為主體，以數(shù)學(xué)、力學(xué)等科學(xué)方法和現(xiàn)代信息技術(shù)、領(lǐng)域協(xié)同技術(shù)等為手段而研究創(chuàng)造、改進(jìn)產(chǎn)品的一系列“現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)”，包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助創(chuàng)新（CAI）、優(yōu)化和可靠性設(shè)計、價值工程、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、疲勞設(shè)計、并行設(shè)計、虛擬設(shè)計等，近年來不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。

在計算機技術(shù)迅猛發(fā)展后，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)值方法和工程設(shè)計理論與方法，較早形成的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)——CAD，在幾何建模、工程計算、圖形及數(shù)據(jù)處理、分析檢驗、文件編制等方面，系統(tǒng)功能已經(jīng)相當(dāng)完備。

CAD較早的技術(shù)支撐軟件代表為AutoCAD，至今它依然是眾多設(shè)計院所、企業(yè)、工程教學(xué)單位使用最多的設(shè)計平臺軟件之一，它最方便、最出色的圖形處理能力主要表現(xiàn)在二維域中。近年來，技術(shù)支撐層面的軟件包括：Pro／E(Pro／Engineer)、SolidWorks、UG等等，處理三維圖形的能力都相當(dāng)強大；設(shè)計中所直接生成的3D結(jié)構(gòu)圖，所描述的結(jié)構(gòu)空間形狀、結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系等都非常直觀明確；尺寸和裝配關(guān)系的約束條件設(shè)置增強了其設(shè)計、組裝和制圖的功能；對結(jié)構(gòu)材料屬性的賦值可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的物理分析。而其參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，不僅使CAD具有交互功能，還具有自動繪圖功能，可以讓設(shè)計人員從繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，大大提高設(shè)計速度，并減少了設(shè)計信息的存儲量。

圖1 典型CAD／CAE集成體系結(jié)構(gòu)

圖2 “袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)”（T1.0版）界面

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的核心技術(shù)是CAE技術(shù)。它是利用計算機求解復(fù)雜工程和針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能，作出分析計算和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計，是一種數(shù)值分析方法。通過結(jié)構(gòu)的離散化，CAE對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果，求解的近似程度取決于所采用的單元類型、數(shù)量以及對單元的插值函數(shù)，解決實際工程需要解決而理論分析又一時難以解決的復(fù)雜問題。其技術(shù)支撐軟件不少，諸如Ansys、IDEAS、Abaqus、ADINA、LS－DYNA、Moldflow等。其中，Ansys作為國內(nèi)應(yīng)用較廣、客戶成熟度較高的經(jīng)典CAE軟件，尤其是在高校科研、鐵道、建筑、壓力容器等裝備制造的諸多領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。

CAE常采用CAD技術(shù)來建立幾何模型和物理模型，完成分析模型的離散化和數(shù)據(jù)的輸入，此過程為CAE的前處理；而計算結(jié)果及用CAD技術(shù)生成的圖形如應(yīng)力、溫度、應(yīng)變彩色云圖等的輸出，為CAE的后處理。前、后處理的技術(shù)為CAD與CAE技術(shù)集成的典型范例，圖1簡單地表達(dá)了這種集成體系結(jié)構(gòu)。

因此，CAE技術(shù)可以理解成是與CAD＼CAPP＼CAM系統(tǒng)集成化發(fā)展而共生的成果，它主要的功能有：（1）借助計算機進(jìn)行數(shù)值模擬計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性；（2）與優(yōu)化技術(shù)配合，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案；（3）起到虛擬樣機能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性乃至整體性能的作用。當(dāng)技術(shù)集成成功后，企業(yè)對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性就有了迅速的反應(yīng)能力。這種能力，關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展。因此，目前在許多行業(yè)中，CAE技術(shù)已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不可逾越的一種強制性規(guī)范加以實施。國外某些大汽車及飛機制造公司，零部件都必須經(jīng)過多方面的CAE仿真分析，否則不能通過設(shè)計審查，更談不上試制和投產(chǎn)［3］。在可以預(yù)計的未來，這種技術(shù)的發(fā)展趨勢將在國內(nèi)外各行各業(yè)迅速蔓延。

袋式除塵器既是環(huán)保設(shè)備，也是能夠產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的工程裝備，對于水泥生產(chǎn)尤其如此。該類產(chǎn)品有如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)大型復(fù)雜，本體以鋼結(jié)構(gòu)為主——本體結(jié)構(gòu)體積碩大，鋼耗量多；零部件種類繁多，有多個一級部件，下面還有多個層級的部件和零件；裝備系統(tǒng)較多，有本體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等等；設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試的任務(wù)繁重、周期長。

（2）整機、部件規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，但相似性大，可重用資源多——整機裝備無國家及行業(yè)設(shè)計規(guī)范，主要零部件缺少相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以經(jīng)驗性、模仿性或半理論半經(jīng)驗的非標(biāo)設(shè)計為主；主要零部件結(jié)構(gòu)相似性大，某種程度上的重復(fù)設(shè)計較多。

（3）單用戶定制，按訂單生產(chǎn)——客戶化設(shè)計的工作量大，設(shè)計、制造及安裝周期長。

綜上因素，目前國內(nèi)袋式除塵器普遍存在的鋼耗量大且指標(biāo)落后，設(shè)計、制造、安裝調(diào)試的工作量大、周期漫長等致使成本高企，外加企業(yè)間激烈競爭和市場不規(guī)范等情況，出現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)利潤率普遍不高的現(xiàn)狀就不足為奇了。

針對上述問題，我們在探討了現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，聯(lián)合幾所高校共同研發(fā)了一個面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的集成多個設(shè)計、分析平臺的多參數(shù)、多目標(biāo)的設(shè)計優(yōu)化軟件——“袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)”（T1.0版），在縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計及制造成本、提高安全可靠性、增強企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力和市場競爭力方面，取得了成果。

3 基于CAD／CAE等技術(shù)集成的袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)的研發(fā)與分析優(yōu)化技術(shù)

對基于CAD／CAE等技術(shù)集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)，我們采用VC＋＋作為集成開發(fā)環(huán)境。作為一種主流的開發(fā)平臺，VC＋＋具有良好的軟件接口、數(shù)據(jù)交互、人機界面的開發(fā)功能，可以極好地滿足裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，對大量、多次、反復(fù)的數(shù)據(jù)交互、界面變換、文件存儲、后臺多種軟件切換運行控制等諸多要求，如圖2所示。

袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)按照功能，主要分成三大模塊——結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)CAE、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫模塊中，應(yīng)用Pro／E強大的3D參數(shù)化建模功能、自適應(yīng)裝配功能、與Ansys參數(shù)“無縫”雙向傳遞功能，建立了基于Pro／E的煙氣處理量≤200×104m3／h、袋長≤10m的單、雙列袋式除塵器一百多個整機基型的參數(shù)化3D模型庫，如圖3所示。與以往CAE建模方法相比，該方法提高了建模的效率，增加了模型的擴展性，同時也為建立完善的產(chǎn)品系列圖形數(shù)據(jù)，便于產(chǎn)品設(shè)計管理乃至提供直觀的產(chǎn)品宣傳資源等方面，提供了更多更好的功能選擇。

在系統(tǒng)“數(shù)據(jù)庫”模塊里，對袋式除塵器的主要部件建了多層參數(shù)化3D模型庫，如圖4所示。

袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化數(shù)據(jù)庫人機交互與自動化查詢相結(jié)合的設(shè)置模式方便了設(shè)計人員的使用，數(shù)據(jù)庫中所包括的型材庫、材料性能表、載荷示意圖等交互界面如圖5所示。

在結(jié)構(gòu)CAE模塊中，采用了ANSYS作為技術(shù)支撐軟件，主要對袋式除塵器主要結(jié)構(gòu)作機械性能的有限元數(shù)值模擬分析。有限元數(shù)值模擬分析方法的應(yīng)用，始于上世紀(jì)50年代對飛機結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)特性分析的連續(xù)力學(xué)領(lǐng)域，隨后廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等多領(lǐng)域的連續(xù)性問題中。因其對形狀邊界描述具有良好的適應(yīng)性，復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性等的性能分析中，普遍得到應(yīng)用。其關(guān)鍵技術(shù)包括：模型的建立后的有效簡化、降維處理、對稱與反對稱的利用、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件連接、網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定、求解策略等。

系統(tǒng)的CAE模塊將結(jié)構(gòu)按整機、關(guān)鍵部件進(jìn)行分類。采用ANSY S系統(tǒng)提供的APDL編程語言環(huán)境，建立模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件和載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

整機及某些大型復(fù)雜部件整體結(jié)構(gòu)的實體模型，計算時將會因為網(wǎng)格數(shù)量巨大造成計算機的計算負(fù)荷過重，導(dǎo)致計算時間過長甚至死機，如果加大網(wǎng)格尺寸不僅可能使網(wǎng)格劃分失敗，還會使計算精度大大下降乃至失真。對此，系統(tǒng)運用模型降維處理技術(shù)——用梁、殼單元替代實體單元，或者采用對稱結(jié)構(gòu)簡化模型和對稱加載等等，使得計算量大大減少而計算精度不受大的影響（圖6）。

圖3 整機基型的參數(shù)化3D模型庫

圖4 系統(tǒng)多層參數(shù)化3D部件模型庫

圖5 主要部件CAE載荷示意圖庫

圖6 袋式除塵器整機CAE

在此模塊中，關(guān)鍵部件模型的設(shè)計和CAE分析，其所有參數(shù)輸入用兩種方式實現(xiàn)——采用常用數(shù)值（界面交互框內(nèi)的默認(rèn)值）和用戶交互（在界面交互框中修改默認(rèn)值），可以極大方便設(shè)計人員對袋式除塵器主要部件的設(shè)計、分析和對已經(jīng)設(shè)計好的相關(guān)結(jié)構(gòu)的分析比較，提高設(shè)計效率和水平（圖7）。

一個典型的CAD／CAE優(yōu)化過程通常需要經(jīng)過以下的步驟來完成：

（1）參數(shù)化建模：利用CAD軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的DV（優(yōu)化輸入?yún)?shù)）定義為模型參數(shù)，為以后軟件優(yōu)化修正模型提供可能。

（2）有限元求解：對結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解。

（3）結(jié)果后處理：把OBJ（優(yōu)化輸出參數(shù)）提取出來供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評價。

（4）參數(shù)優(yōu)化：優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)（DV、OBJ）與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后，確定該次循環(huán)的優(yōu)化目標(biāo)是否達(dá)到了最優(yōu)，如果最優(yōu)，則退出優(yōu)化循環(huán)圈，否則，進(jìn)行下一步循環(huán)計算。

（5）循環(huán)計算：根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前OBJ的狀態(tài)修正DV，重新投入循環(huán)。

系統(tǒng)模塊選用Ansys Workbench Environment（AWE）作為有限元分析優(yōu)化環(huán)境，它包含建模工具模塊DesignModeler、優(yōu)化設(shè)計工具模塊DesignXplorerVT；另一個DesignSpace模塊可以與其他的CAD軟件如Pro／E等進(jìn)行無縫雙向參數(shù)互動，為CAE融入整個設(shè)計過程尤其是前期設(shè)計過程提供了技術(shù)上的完美保障。

系統(tǒng)設(shè)置了袋式除塵器主要部件“快捷優(yōu)化”和“定制優(yōu)化”兩種模式，以滿足下列兩類設(shè)計優(yōu)化要求：（1）只輸入環(huán)境變量及其少量必要的設(shè)計變量的情況；（2）改變預(yù)置的各設(shè)計條件情況。

以外側(cè)板為例，型鋼板框架，加強筋角鋼作方格布置，負(fù)壓工況，材質(zhì)為Q235，以板重值最小為目標(biāo)函數(shù)，以板厚、加強筋截面尺寸為設(shè)計變量，以其許用應(yīng)力、許用變形量為約束條件，對外側(cè)板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（圖8）。

袋式除塵器優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)為用戶提供了包括CAX／CFX模型、響應(yīng)云圖、靈敏度以及蛛狀分析等在內(nèi)的多種優(yōu)化方法及可視化結(jié)果顯示。圖9從不同角度反映了多方案DV及OBJ設(shè)計影響，充分展示了協(xié)同優(yōu)化的效果。

基于袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品零部件或整機結(jié)構(gòu)的集成優(yōu)化。設(shè)計實例通過設(shè)計參數(shù)優(yōu)化調(diào)整、結(jié)構(gòu)輕量化目標(biāo)設(shè)定及優(yōu)化函數(shù)設(shè)計，所給出的袋式除塵器整機及關(guān)鍵零部件CAX／CFD優(yōu)化分析模型、響應(yīng)云圖、優(yōu)化空間及靈敏度分析等采用設(shè)計過程協(xié)同及可視化多圖模式給出了參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型設(shè)計過程、優(yōu)化設(shè)計變量確定及優(yōu)化效果分析方法。

4 小結(jié)

圖7 花板CAE

圖8 基于CAX／CFD的外側(cè)板定制優(yōu)化界面

近年來，隨著國內(nèi)外環(huán)保意識及環(huán)保管理的增強，袋式除塵器產(chǎn)品在水泥、鋼鐵、煤炭、制藥等領(lǐng)域的需求迅速增長，綠色高效的廣譜效用使其在國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中顯示出越來越重大的作用。目前，制約袋式除塵器產(chǎn)品普及應(yīng)用的瓶頸是缺乏解決產(chǎn)品大型化、多用戶適應(yīng)性及復(fù)雜工況可靠性等綜合設(shè)計難題，迫切需要基于標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計平臺及先進(jìn)穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)的實用型軟件，通過行業(yè)及設(shè)計者快捷規(guī)范的設(shè)計工具，滿足用戶定制化設(shè)計要求。

袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，覆蓋了常用產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)系列，設(shè)計風(fēng)量為10～200萬m3／h，設(shè)計載荷為5000～15000Pa，設(shè)計溫度為常溫到高溫（350℃），基板及型材的材質(zhì)與規(guī)格覆蓋了用戶常用范圍。

區(qū)別于傳統(tǒng)的袋式除塵器設(shè)計方法，系統(tǒng)針對不同的結(jié)構(gòu)模型自動選取型材系列參變量、基板結(jié)構(gòu)參變量、材料性能參變量等為優(yōu)化變量，通過理想方案的可行性離散處理，確定優(yōu)化設(shè)計約束變量，實現(xiàn)除塵器零部件及整機結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性的網(wǎng)格計算、分析及協(xié)同優(yōu)化。系統(tǒng)以除塵器的輕量化為優(yōu)化目標(biāo)，采用零階及一階優(yōu)化函數(shù)互補，通過多變量及多目標(biāo)協(xié)同流程定制設(shè)計計算，實現(xiàn)了袋式除塵器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化。結(jié)果顯示，系統(tǒng)不僅規(guī)范、實用、覆蓋范圍大，而且設(shè)計快捷穩(wěn)健，可視化程度高。外側(cè)板等關(guān)鍵另部件優(yōu)化效果比傳統(tǒng)方案減重超過20%，整機效果超過10%。

［1］中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會袋式除塵委員會.我國袋式除塵行業(yè)2008年發(fā)展綜述，2009，5.

［2］任旭華，陳勝宏.現(xiàn)代工程設(shè)計方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009，6.

［3］紀(jì)愛敏.機械CAE分析原理與工程實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009，1.

［4］李旗號，張春來，謝峰，劉吉鵬.ANSYS中優(yōu)化技術(shù)CAE中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，第25卷：第9期，2003－91231.

［5］Tapan Sabuwala，Daniel Linzell，Theodor Krauthammer.Finite Element Analysis ofSteel Beam to Column Connections Subjected to Blast Loads，International Journal of IMPact Engineering，2005，Vol.31:pp.861－876

圖9 外側(cè)板CAX／CFX協(xié)同優(yōu)化

TQ172.688.3

A

1001－6171（2010）01－0078－05

2009－09－01；編輯：沈穎