袋式除尘器结构优化设计与虚拟装配关键技术

杨新华，姚 群，王元勋，陈志炜

（1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉 430074；2.中钢集团天澄环保科技股份有限公司，武汉 430205）

袋式除尘器结构优化设计与虚拟装配关键技术

杨新华1，姚 群2，王元勋1，陈志炜2

（1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉 430074；2.中钢集团天澄环保科技股份有限公司，武汉 430205）

针对袋式除尘器大型化后在结构轻质化、模块化结构的可靠装配和焊接变形控制等方面面临的诸多问题，开展了系统的研究，发展了不同结构类型袋式除尘器快速参数化建模、整体和局部联合计算、梁柱连接节点的简化设计、整体计算中复杂花板结构简化、非线性多约束结构优化等复杂关键技术，开发了袋式除尘器结构计算和优化设计软件；提出了基于世界树的实体层次系统结构建模框架，开发了大型模块化袋式除尘器虚拟装配软件；分析了主要结构焊接变形、应力和应变分布及变化规律，提出了反变形法消除焊接变形的控制方法，并开展了实验验证。

袋式除尘器;结构优化设计;虚拟装配;焊接变形控制

1 引言

袋式除尘器是目前应用最多的工业粉尘收集装置，除尘效率达到99.9%，在钢铁、有色冶金、水泥、火电等高粉尘排放行业获得广泛应用，在钢铁、有色冶金、水泥等行业中应用占比达到90%，2010年总产值超过130亿元，而且以每年超过15%的速度递增。现代工业生产的高速发展推动袋式除尘器向大型化、模块化方向发展。大型化、模块化对袋式除尘器结构设计、装配和连接提出了一系列新的问题：1）结构轻质化和运行可靠性的问题。近年来，湖北、内蒙古、安徽等地已先后发生多起除尘设备垮塌事故，造成了严重的人员伤亡和经济损失。因此迫切需要开展袋式除尘器结构优化设计。2）模块化结构的虚拟装配预演，以检验模块之间的配合情况，实现施工现场的可靠装配。3）袋式除尘器结构主要依靠焊缝连接，焊接变形是影响设备安装是否顺利、使用是否安全的重要因素。

面对袋式除尘器结构向大型化、模块化方向发展对优化设计、虚拟装配和焊接变形控制等技术的迫切需求，在国家科技部“863”项目支持下，国内有关院校和企业通过多学科交叉，深入开展了相关理论、技术和方法的研究，开发了袋式除尘器结构计算、优化设计软件和大型模块化袋式除尘器虚拟装配软件，形成了大型袋式除尘器结构优化设计和虚拟装配的成套关键技术。

2 袋式除尘器本体结构整体和局部优化设计方法及其快速实现技术

2.1 快速参数化建模技术

目前，大多数的袋式除尘器设计生产企业都是采用现有商业软件（包括ANSYS软件、PK/PM软件等）实现袋式除尘器结构的设计计算。但由于这些软件的通用性，在模型的创建上往往需要耗费设计人员大量的时间，而且创建出来的模型质量严重依赖于技术人员对软件的熟悉程度。研究快速参数化建模技术的目的，就是希望为设计技术人员创建袋式除尘器结构计算模型提供一种快速简便和标准化的途径和方法。利用这种方法，只需要输入一些有限的结构参数，就可以快速建立袋式除尘器结构计算模型，从而大大提高设计计算的效率[1]。

快速参数化建模的技术要点为：1）将一些常用结构类型的袋式除尘器制作成工程类型模板，在模板中定义建立一个结构模型需要的全部信息，形成结构库；2）设计人员使用时，调用相应的结构库模板，根据软件人机交互界面的提示，输入有限的特征信息参数，就可以快速建立需要的结构模型。

以除尘器底层支座模型的创建为例，说明“袋式除尘器结构计算和优化设计软件”执行快速参数化建模的主要流程。首先从软件结构库中调用除尘器底层支座模型模板，软件将弹出如图1（a）所示的框架模型创建窗口，显示按流程顺序给出的功能按钮。然后输入结构开间（如图1（b）），进深（如图1（c）），梁、柱、支撑的长度（如图1（d））和截面尺寸信息（如图1（e）），就可以快速创建出除尘器底层支座模型（如图1（f））。

图1 袋式除尘器底层支座模型的快速参数化建模

2.2 建立在整体分析基础上的局部建模分析技术

袋式除尘器结构非常庞大，构件（如花板、节点等）细部构造非常复杂。如果将结构所有细节全部考虑进来进行分析，有限元计算模型的规模将非常庞大，计算效率会非常低，有时候可能会造成计算无法进行。研究建立在整体分析基础上的局部建模分析技术，可以简化整体分析的有限元模型。从而在整体分析时，不需要针对局部进行过细的网格划分；在整体分析之后，再对局部进行网格细化，完成局部计算分析。这不仅可以有效提高计算分析的效率，也可以提高计算精度。

以梁柱节点为例，说明建立在整体分析基础上的局部建模分析技术的方法及主要步骤。首先打开如图2（a）所示的局部模型分析窗口，在整体模型上选择要分析的局部对象（如图2（b）），然后快速建立局部对象的模型（如图2（c）），最后提取整体分析中相应的计算结果，作为载荷约束条件施加到局部模型上（如图2（d）），完成计算和分析。

图2 建立在袋式除尘器整体分析基础上节点分析模型

2.3 梁柱连接节点的简化设计技术

节点是除尘器结构最重要的传力部位。不同于一般钢结构的柱贯穿节点，袋式除尘器节点属于梁贯穿节点，因此其承载能力的设计不能参照一般钢结构节点。研究梁柱连接节点简化设计技术的目的就是为袋式除尘器节点初步设计提供可行的高效率的计算方法。

根据部位不同，袋式除尘器节点主要有角节点、纵向边节点、横向边节点和中节点四种。我们采用有限元方法，通过大量的分析获得不同梁柱尺寸下节点的初始刚度和极限承载能力，利用非线性数值拟合技术获得采用梁柱尺寸表达的节点初始刚度和极限承载能力的近似公式，从而为袋式除尘器节点初步设计提供依据[2、3]。

2.4 整体设计计算中复杂花板结构的等效简化技术

花板是一种多孔加劲板，构造比较复杂，在袋式除尘器中用来悬挂滤袋和袋笼，隔离净气和荒气，数量可达上百块。在袋式除尘器整体结构分析中，花板上的大量圆孔限制了单元形状和边长，导致单元数量激增，仅单个花板就需要占用数千个单元，严重制约袋式除尘器设计计算的效率。

采用均匀化方法，将花板结构（如图3（a））首先等效简化为加劲板（如图3（b）），然后再采用正交异性板法将加劲板简化为平板（如图3（c））[4、5]。经过第一次简化，花板单元数可以减少到原来的1/2，再经过第二次简化，单元数量可以继续下降到原来的1/3。因此，通过等效简化可以有效减少除尘器结构整体计算的资源消耗，显著提高设计计算效率。经进一步的对比验证，简化前后计算结果的相对误差小于5%，完全可以满足工程计算的精度要求。

图3 花板等效简化

2.5 本体结构的优化设计技术

袋式除尘器是全钢结构，体积庞大。通过优化设计，可以实现材料在结构上的合理分配，达到结构轻质化和设备长期安全稳定运行的目的。袋式除尘器结构优化以重量为目标函数，以结构位移、应力、应变和几何尺寸等为约束条件，以结构部分尺寸为设计变量。因此需要研究并实现非线性复杂约束条件下的结构整体和局部的优化设计[6、7]。

以某中箱体箱板优化为例。传统的中箱体箱板为加劲板结构。以最大位移为约束条件，板厚、不等边角钢长短边尺寸为设计变量。优化前箱板重948.6kg，优化后箱板重817.4kg，实现省材13.8%。如果改用压型板，并以板尺寸参数为优化设计变量，优化后的重量可减少到722.0kg，进一步省材11.7%。根据优化结果，目前一些企业生产的袋式除尘器箱板结构已普遍采用压型板结构。

一般来说，采用优化设计技术，可以节省大型袋式除尘器的梁、柱的钢材消耗在30%左右，节省灰斗、箱体壁板的钢材消耗10%左右，节省结构整体的钢材消耗约15%。

3 袋式除尘器结构虚拟生成和虚拟装配的实现技术

除尘器大型化以后，为了实现生产标准化，同时节省现场施工时间，要求对结构进行模块化处理。然而，结构模块化以后，是否能够实现现场的可靠装配，则需要进行检验。针对大型模块化袋式除尘器工程装配问题，采用世界树构造的场景（包括天空、地面、背景实体等）、特效（包括雾、光晕、粉尘等）和结构实体（包括灰斗、梁、柱、支撑、箱板、隔板等）组成的数据结构，开发出与Open GL World引擎结合的“大型模块化袋式除尘器虚拟装配软件”[8]。

以灰斗为例，说明利用该软件实现袋式除尘器结构虚拟生成和虚拟装配的全过程。首先，采用图形绘制技术生成组件（如图4（a）），并将生成的组件加入到组件列表（如图4（b）），再从组件列表中选择相应组件生成模块（如图4（c）），然后由不同模块装配组成袋式除尘器（如图4（d））。通过结构虚拟生成和虚拟装配，可以达到检验模块化结构能否实现现场可靠装配的目的。

图4 由组件到模块再到设备的虚拟装配流程

4 结构焊接残余应力分析和变形控制技术

袋式除尘器结构主要依靠焊缝连接，施工中的焊接变形是影响设备使用安全的一个重要因素。针对固有应变法进行焊接残余应力分析的不足，可采用固有应变加载的温度载荷法，实现分布式固有应变加载，根据实验验证，这种方法可以有效提高计算精度；在此基础上，进一步提出了采用施加反变形控制施工过程焊接变形的方法，给出了反变形的计算公式，开发了定位夹具，申请了两项实用新型专利；根据反变形法焊接变形控制实验验证，可消除70%以上的焊接变形[9、10]。

5 结语

上述研究成果解决了限制袋式除尘器向大型化、模块化方向发展的技术瓶颈问题，可以大大提高袋式除尘器结构设计计算的效率和水平，已经在袋式除尘器优化设计、事故分析和处理、虚拟装配和焊接施工变形控制中获得广泛应用，并取得了良好的社会效益和经济效益。

[1]项柱，杨新华.基于XML的有限元二次开发模型研究与实践[J].微机算计信息，2007，23（7-3）： 216-217，272.

[2]余涛，杨新华.袋式除尘器梁翼缘削弱型角节点的有限元分析[J].钢结构，2011，26（3）：36-40.

[3]夏长明，吴莹，杨新华.大型袋式除尘器节点刚度的近似计算公式[J].华中科技大学学报（城市科学版），2009，26（1）： 98-100.

[4]杨新华，覃伟平，曾青，王乘.袋式除尘器花板等效力学性质分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007，35（5）： 109-111.

[5]覃伟平，杨新华，曾青，王乘.均匀化方法在大型袋式除尘器花板结构计算中的应用[J].重型机械，2006，（4）：19-22.

[6]曾青，杨新华，大型袋式除尘器花板活荷载标准值取值研究[J].工业建筑，2007，37（z1）： 379-382.

[7]曾小红，覃伟平，孔泉，袋式除尘器三维热力场有限元分析[J].现代机械，2007，（3）： 10-11，30.

[8]张伟，杨新华，魏爽，工程结构虚拟装配引擎的动画设计实现[J].微计算机信息，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]侯志刚，王元勋，李春植，陈传尧，焊接变形预测与控制的研究进展[J].机械工程材料，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：国家高技术研究发展计划（863计划）专项经费资助（编号：2005AA642010）。

杨新华（1967—），男，教授、博士生导师，主要从事材料力学行为、结构计算仿真和多尺度数值分析方法等方面的研究工作。