袋式除塵器結構優(yōu)化設計與虛擬裝配關鍵技術

楊新華，姚 群，王元勛，陳志煒

（1.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢 430074；2.中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆錆h 430205）

袋式除塵器結構優(yōu)化設計與虛擬裝配關鍵技術

楊新華1，姚 群2，王元勛1，陳志煒2

（1.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢 430074；2.中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆錆h 430205）

針對袋式除塵器大型化后在結構輕質化、模塊化結構的可靠裝配和焊接變形控制等方面面臨的諸多問題，開展了系統(tǒng)的研究，發(fā)展了不同結構類型袋式除塵器快速參數(shù)化建模、整體和局部聯(lián)合計算、梁柱連接節(jié)點的簡化設計、整體計算中復雜花板結構簡化、非線性多約束結構優(yōu)化等復雜關鍵技術，開發(fā)了袋式除塵器結構計算和優(yōu)化設計軟件；提出了基于世界樹的實體層次系統(tǒng)結構建?？蚣?，開發(fā)了大型模塊化袋式除塵器虛擬裝配軟件；分析了主要結構焊接變形、應力和應變分布及變化規(guī)律，提出了反變形法消除焊接變形的控制方法，并開展了實驗驗證。

袋式除塵器;結構優(yōu)化設計;虛擬裝配;焊接變形控制

1 引言

袋式除塵器是目前應用最多的工業(yè)粉塵收集裝置，除塵效率達到99.9%，在鋼鐵、有色冶金、水泥、火電等高粉塵排放行業(yè)獲得廣泛應用，在鋼鐵、有色冶金、水泥等行業(yè)中應用占比達到90%，2010年總產值超過130億元，而且以每年超過15%的速度遞增?，F(xiàn)代工業(yè)生產的高速發(fā)展推動袋式除塵器向大型化、模塊化方向發(fā)展。大型化、模塊化對袋式除塵器結構設計、裝配和連接提出了一系列新的問題：1）結構輕質化和運行可靠性的問題。近年來，湖北、內蒙古、安徽等地已先后發(fā)生多起除塵設備垮塌事故，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。因此迫切需要開展袋式除塵器結構優(yōu)化設計。2）模塊化結構的虛擬裝配預演，以檢驗模塊之間的配合情況，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的可靠裝配。3）袋式除塵器結構主要依靠焊縫連接，焊接變形是影響設備安裝是否順利、使用是否安全的重要因素。

面對袋式除塵器結構向大型化、模塊化方向發(fā)展對優(yōu)化設計、虛擬裝配和焊接變形控制等技術的迫切需求，在國家科技部“863”項目支持下，國內有關院校和企業(yè)通過多學科交叉，深入開展了相關理論、技術和方法的研究，開發(fā)了袋式除塵器結構計算、優(yōu)化設計軟件和大型模塊化袋式除塵器虛擬裝配軟件，形成了大型袋式除塵器結構優(yōu)化設計和虛擬裝配的成套關鍵技術。

2 袋式除塵器本體結構整體和局部優(yōu)化設計方法及其快速實現(xiàn)技術

2.1 快速參數(shù)化建模技術

目前，大多數(shù)的袋式除塵器設計生產企業(yè)都是采用現(xiàn)有商業(yè)軟件（包括ANSYS軟件、PK/PM軟件等）實現(xiàn)袋式除塵器結構的設計計算。但由于這些軟件的通用性，在模型的創(chuàng)建上往往需要耗費設計人員大量的時間，而且創(chuàng)建出來的模型質量嚴重依賴于技術人員對軟件的熟悉程度。研究快速參數(shù)化建模技術的目的，就是希望為設計技術人員創(chuàng)建袋式除塵器結構計算模型提供一種快速簡便和標準化的途徑和方法。利用這種方法，只需要輸入一些有限的結構參數(shù)，就可以快速建立袋式除塵器結構計算模型，從而大大提高設計計算的效率[1]。

快速參數(shù)化建模的技術要點為：1）將一些常用結構類型的袋式除塵器制作成工程類型模板，在模板中定義建立一個結構模型需要的全部信息，形成結構庫；2）設計人員使用時，調用相應的結構庫模板，根據(jù)軟件人機交互界面的提示，輸入有限的特征信息參數(shù)，就可以快速建立需要的結構模型。

以除塵器底層支座模型的創(chuàng)建為例，說明“袋式除塵器結構計算和優(yōu)化設計軟件”執(zhí)行快速參數(shù)化建模的主要流程。首先從軟件結構庫中調用除塵器底層支座模型模板，軟件將彈出如圖1（a）所示的框架模型創(chuàng)建窗口，顯示按流程順序給出的功能按鈕。然后輸入結構開間（如圖1（b）），進深（如圖1（c）），梁、柱、支撐的長度（如圖1（d））和截面尺寸信息（如圖1（e）），就可以快速創(chuàng)建出除塵器底層支座模型（如圖1（f））。

圖1 袋式除塵器底層支座模型的快速參數(shù)化建模

2.2 建立在整體分析基礎上的局部建模分析技術

袋式除塵器結構非常龐大，構件（如花板、節(jié)點等）細部構造非常復雜。如果將結構所有細節(jié)全部考慮進來進行分析，有限元計算模型的規(guī)模將非常龐大，計算效率會非常低，有時候可能會造成計算無法進行。研究建立在整體分析基礎上的局部建模分析技術，可以簡化整體分析的有限元模型。從而在整體分析時，不需要針對局部進行過細的網格劃分；在整體分析之后，再對局部進行網格細化，完成局部計算分析。這不僅可以有效提高計算分析的效率，也可以提高計算精度。

以梁柱節(jié)點為例，說明建立在整體分析基礎上的局部建模分析技術的方法及主要步驟。首先打開如圖2（a）所示的局部模型分析窗口，在整體模型上選擇要分析的局部對象（如圖2（b）），然后快速建立局部對象的模型（如圖2（c）），最后提取整體分析中相應的計算結果，作為載荷約束條件施加到局部模型上（如圖2（d）），完成計算和分析。

圖2 建立在袋式除塵器整體分析基礎上節(jié)點分析模型

2.3 梁柱連接節(jié)點的簡化設計技術

節(jié)點是除塵器結構最重要的傳力部位。不同于一般鋼結構的柱貫穿節(jié)點，袋式除塵器節(jié)點屬于梁貫穿節(jié)點，因此其承載能力的設計不能參照一般鋼結構節(jié)點。研究梁柱連接節(jié)點簡化設計技術的目的就是為袋式除塵器節(jié)點初步設計提供可行的高效率的計算方法。

根據(jù)部位不同，袋式除塵器節(jié)點主要有角節(jié)點、縱向邊節(jié)點、橫向邊節(jié)點和中節(jié)點四種。我們采用有限元方法，通過大量的分析獲得不同梁柱尺寸下節(jié)點的初始剛度和極限承載能力，利用非線性數(shù)值擬合技術獲得采用梁柱尺寸表達的節(jié)點初始剛度和極限承載能力的近似公式，從而為袋式除塵器節(jié)點初步設計提供依據(jù)[2、3]。

2.4 整體設計計算中復雜花板結構的等效簡化技術

花板是一種多孔加勁板，構造比較復雜，在袋式除塵器中用來懸掛濾袋和袋籠，隔離凈氣和荒氣，數(shù)量可達上百塊。在袋式除塵器整體結構分析中，花板上的大量圓孔限制了單元形狀和邊長，導致單元數(shù)量激增，僅單個花板就需要占用數(shù)千個單元，嚴重制約袋式除塵器設計計算的效率。

采用均勻化方法，將花板結構（如圖3（a））首先等效簡化為加勁板（如圖3（b）），然后再采用正交異性板法將加勁板簡化為平板（如圖3（c））[4、5]。經過第一次簡化，花板單元數(shù)可以減少到原來的1/2，再經過第二次簡化，單元數(shù)量可以繼續(xù)下降到原來的1/3。因此，通過等效簡化可以有效減少除塵器結構整體計算的資源消耗，顯著提高設計計算效率。經進一步的對比驗證，簡化前后計算結果的相對誤差小于5%，完全可以滿足工程計算的精度要求。

圖3 花板等效簡化

2.5 本體結構的優(yōu)化設計技術

袋式除塵器是全鋼結構，體積龐大。通過優(yōu)化設計，可以實現(xiàn)材料在結構上的合理分配，達到結構輕質化和設備長期安全穩(wěn)定運行的目的。袋式除塵器結構優(yōu)化以重量為目標函數(shù)，以結構位移、應力、應變和幾何尺寸等為約束條件，以結構部分尺寸為設計變量。因此需要研究并實現(xiàn)非線性復雜約束條件下的結構整體和局部的優(yōu)化設計[6、7]。

以某中箱體箱板優(yōu)化為例。傳統(tǒng)的中箱體箱板為加勁板結構。以最大位移為約束條件，板厚、不等邊角鋼長短邊尺寸為設計變量。優(yōu)化前箱板重948.6kg，優(yōu)化后箱板重817.4kg，實現(xiàn)省材13.8%。如果改用壓型板，并以板尺寸參數(shù)為優(yōu)化設計變量，優(yōu)化后的重量可減少到722.0kg，進一步省材11.7%。根據(jù)優(yōu)化結果，目前一些企業(yè)生產的袋式除塵器箱板結構已普遍采用壓型板結構。

一般來說，采用優(yōu)化設計技術，可以節(jié)省大型袋式除塵器的梁、柱的鋼材消耗在30%左右，節(jié)省灰斗、箱體壁板的鋼材消耗10%左右，節(jié)省結構整體的鋼材消耗約15%。

3 袋式除塵器結構虛擬生成和虛擬裝配的實現(xiàn)技術

除塵器大型化以后，為了實現(xiàn)生產標準化，同時節(jié)省現(xiàn)場施工時間，要求對結構進行模塊化處理。然而，結構模塊化以后，是否能夠實現(xiàn)現(xiàn)場的可靠裝配，則需要進行檢驗。針對大型模塊化袋式除塵器工程裝配問題，采用世界樹構造的場景（包括天空、地面、背景實體等）、特效（包括霧、光暈、粉塵等）和結構實體（包括灰斗、梁、柱、支撐、箱板、隔板等）組成的數(shù)據(jù)結構，開發(fā)出與Open GL World引擎結合的“大型模塊化袋式除塵器虛擬裝配軟件”[8]。

以灰斗為例，說明利用該軟件實現(xiàn)袋式除塵器結構虛擬生成和虛擬裝配的全過程。首先，采用圖形繪制技術生成組件（如圖4（a）），并將生成的組件加入到組件列表（如圖4（b）），再從組件列表中選擇相應組件生成模塊（如圖4（c）），然后由不同模塊裝配組成袋式除塵器（如圖4（d））。通過結構虛擬生成和虛擬裝配，可以達到檢驗模塊化結構能否實現(xiàn)現(xiàn)場可靠裝配的目的。

圖4 由組件到模塊再到設備的虛擬裝配流程

4 結構焊接殘余應力分析和變形控制技術

袋式除塵器結構主要依靠焊縫連接，施工中的焊接變形是影響設備使用安全的一個重要因素。針對固有應變法進行焊接殘余應力分析的不足，可采用固有應變加載的溫度載荷法，實現(xiàn)分布式固有應變加載，根據(jù)實驗驗證，這種方法可以有效提高計算精度；在此基礎上，進一步提出了采用施加反變形控制施工過程焊接變形的方法，給出了反變形的計算公式，開發(fā)了定位夾具，申請了兩項實用新型專利；根據(jù)反變形法焊接變形控制實驗驗證，可消除70%以上的焊接變形[9、10]。

5 結語

上述研究成果解決了限制袋式除塵器向大型化、模塊化方向發(fā)展的技術瓶頸問題，可以大大提高袋式除塵器結構設計計算的效率和水平，已經在袋式除塵器優(yōu)化設計、事故分析和處理、虛擬裝配和焊接施工變形控制中獲得廣泛應用，并取得了良好的社會效益和經濟效益。

[1]項柱，楊新華.基于XML的有限元二次開發(fā)模型研究與實踐[J].微機算計信息，2007，23（7-3）： 216-217，272.

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[3]夏長明，吳瑩，楊新華.大型袋式除塵器節(jié)點剛度的近似計算公式[J].華中科技大學學報（城市科學版），2009，26（1）： 98-100.

[4]楊新華，覃偉平，曾青，王乘.袋式除塵器花板等效力學性質分析[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007，35（5）： 109-111.

[5]覃偉平，楊新華，曾青，王乘.均勻化方法在大型袋式除塵器花板結構計算中的應用[J].重型機械，2006，（4）：19-22.

[6]曾青，楊新華，大型袋式除塵器花板活荷載標準值取值研究[J].工業(yè)建筑，2007，37（z1）： 379-382.

[7]曾小紅，覃偉平，孔泉，袋式除塵器三維熱力場有限元分析[J].現(xiàn)代機械，2007，（3）： 10-11，30.

[8]張偉，楊新華，魏爽，工程結構虛擬裝配引擎的動畫設計實現(xiàn)[J].微計算機信息，2007，23（6-1）： 274-276.

[9]Yuanxun Wang, Peng Zhang, Zhigang Hou, Chunzhi Li. Inherent Strain Method and Thermal Elastic-Plastic Analysis of Welding Deformation of a Thin-wall Beam, Journal of Mechanics, 2008，24（4）： 241-250.

[10]侯志剛，王元勛，李春植，陳傳堯，焊接變形預測與控制的研究進展[J].機械工程材料，2004，28（3）： 4-6，30.

Investigation on Key Technologies in Optimal Design and Virtual Assembly of Large-scaled Bag Filter

YANG Xin-hua1, YAO Qun2, WANG Yuan-xun1, CHEN Zhi-wei2
(1.School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Sciences and Technology, Wuhan 430074;2.Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Sciences and Technology Co., Ltd, Wuhan 430205, China)

In order to ensure safety in service and reliable assemble of module structures and control welding deformation, some systematic researches are done to develop key technologies for optimal design and virtual assembly of large-scaled bag filters. The rapid parametric modeling method for bag filters with different structure types, the combination of global and local calculations, simplified design of beam-column connections, the simplification technology of complex tube sheets in the global calculation, and the structure optimization method under non-linear and multi-constraint conditions are presented, and the software of calculation and optimization for the bag filter structures is developed. Based on the entity level system of World Tree, the modeling framework for virtual assemble of the large-scaled bag filter is proposed, and then the software for virtual assemble is designed. The welding deformation, and the distribution and variation of stress and strain of the main structures are analyzed, and finally the control method with the anti-deformation to remove the welding deformation is proposed and experimentally demonstrated.

bag filter; optimization design of structure; virtual assemble; welding deformation control.

X701.2

A

1006-5377（2012）05-0045-04

注：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）專項經費資助（編號：2005AA642010）。

楊新華（1967—），男，教授、博士生導師，主要從事材料力學行為、結構計算仿真和多尺度數(shù)值分析方法等方面的研究工作。