楊新華，姚 群，王元?jiǎng)?，陳志?/p>

（1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074；2.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)保科技股份有限公司，武漢 430205）

袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

楊新華1，姚 群2，王元?jiǎng)?，陳志煒2

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

針對(duì)袋式除塵器大型化后在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、模塊化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型袋式除塵器快速參數(shù)化建模、整體和局部聯(lián)合計(jì)算、梁柱連接節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、整體計(jì)算中復(fù)雜花板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、非線性多約束結(jié)構(gòu)優(yōu)化等復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了袋式除塵器結(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件；提出了基于世界樹的實(shí)體層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模框架，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(jié)構(gòu)焊接變形、應(yīng)力和應(yīng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

袋式除塵器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);虛擬裝配;焊接變形控制

1 引言

袋式除塵器是目前應(yīng)用最多的工業(yè)粉塵收集裝置，除塵效率達(dá)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(yīng)用，在鋼鐵、有色冶金、水泥等行業(yè)中應(yīng)用占比達(dá)到90%，2010年總產(chǎn)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(chǎn)的高速發(fā)展推動(dòng)袋式除塵器向大型化、模塊化方向發(fā)展。大型化、模塊化對(duì)袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配和連接提出了一系列新的問題：1）結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和運(yùn)行可靠性的問題。近年來，湖北、內(nèi)蒙古、安徽等地已先后發(fā)生多起除塵設(shè)備垮塌事故，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此迫切需要開展袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2）模塊化結(jié)構(gòu)的虛擬裝配預(yù)演，以檢驗(yàn)?zāi)K之間的配合情況，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的可靠裝配。3）袋式除塵器結(jié)構(gòu)主要依靠焊縫連接，焊接變形是影響設(shè)備安裝是否順利、使用是否安全的重要因素。

面對(duì)袋式除塵器結(jié)構(gòu)向大型化、模塊化方向發(fā)展對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬裝配和焊接變形控制等技術(shù)的迫切需求，在國(guó)家科技部“863”項(xiàng)目支持下，國(guó)內(nèi)有關(guān)院校和企業(yè)通過多學(xué)科交叉，深入開展了相關(guān)理論、技術(shù)和方法的研究，開發(fā)了袋式除塵器結(jié)構(gòu)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和虛擬裝配的成套關(guān)鍵技術(shù)。

2 袋式除塵器本體結(jié)構(gòu)整體和局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法及其快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1 快速參數(shù)化建模技術(shù)

目前，大多數(shù)的袋式除塵器設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)袋式除塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)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(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間，而且創(chuàng)建出來的模型質(zhì)量嚴(yán)重依賴于技術(shù)人員對(duì)軟件的熟悉程度。研究快速參數(shù)化建模技術(shù)的目的，就是希望為設(shè)計(jì)技術(shù)人員創(chuàng)建袋式除塵器結(jié)構(gòu)計(jì)算模型提供一種快速簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)化的途徑和方法。利用這種方法，只需要輸入一些有限的結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以快速建立袋式除塵器結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，從而大大提高設(shè)計(jì)計(jì)算的效率[1]。

快速參數(shù)化建模的技術(shù)要點(diǎn)為：1）將一些常用結(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)模型需要的全部信息，形成結(jié)構(gòu)庫(kù)；2）設(shè)計(jì)人員使用時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)庫(kù)模板，根據(jù)軟件人機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”執(zhí)行快速參數(shù)化建模的主要流程。首先從軟件結(jié)構(gòu)庫(kù)中調(diào)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(jié)構(gòu)開間（如圖1（b）），進(jìn)深（如圖1（c）），梁、柱、支撐的長(zhǎng)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(chǔ)上的局部建模分析技術(shù)

袋式除塵器結(jié)構(gòu)非常龐大，構(gòu)件（如花板、節(jié)點(diǎn)等）細(xì)部構(gòu)造非常復(fù)雜。如果將結(jié)構(gòu)所有細(xì)節(jié)全部考慮進(jìn)來進(jìn)行分析，有限元計(jì)算模型的規(guī)模將非常龐大，計(jì)算效率會(huì)非常低，有時(shí)候可能會(huì)造成計(jì)算無法進(jìn)行。研究建立在整體分析基礎(chǔ)上的局部建模分析技術(shù)，可以簡(jiǎn)化整體分析的有限元模型。從而在整體分析時(shí)，不需要針對(duì)局部進(jìn)行過細(xì)的網(wǎng)格劃分；在整體分析之后，再對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，完成局部計(jì)算分析。這不僅可以有效提高計(jì)算分析的效率，也可以提高計(jì)算精度。

以梁柱節(jié)點(diǎn)為例，說明建立在整體分析基礎(chǔ)上的局部建模分析技術(shù)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(duì)象（如圖2（b）），然后快速建立局部對(duì)象的模型（如圖2（c）），最后提取整體分析中相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，作為載荷約束條件施加到局部模型上（如圖2（d）），完成計(jì)算和分析。

圖2 建立在袋式除塵器整體分析基礎(chǔ)上節(jié)點(diǎn)分析模型

2.3 梁柱連接節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)技術(shù)

節(jié)點(diǎn)是除塵器結(jié)構(gòu)最重要的傳力部位。不同于一般鋼結(jié)構(gòu)的柱貫穿節(jié)點(diǎn)，袋式除塵器節(jié)點(diǎn)屬于梁貫穿節(jié)點(diǎn)，因此其承載能力的設(shè)計(jì)不能參照一般鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。研究梁柱連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)技術(shù)的目的就是為袋式除塵器節(jié)點(diǎn)初步設(shè)計(jì)提供可行的高效率的計(jì)算方法。

根據(jù)部位不同，袋式除塵器節(jié)點(diǎn)主要有角節(jié)點(diǎn)、縱向邊節(jié)點(diǎn)、橫向邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的初始剛度和極限承載能力，利用非線性數(shù)值擬合技術(shù)獲得采用梁柱尺寸表達(dá)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)[2、3]。

2.4 整體設(shè)計(jì)計(jì)算中復(fù)雜花板結(jié)構(gòu)的等效簡(jiǎn)化技術(shù)

花板是一種多孔加勁板，構(gòu)造比較復(fù)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(dá)上百塊。在袋式除塵器整體結(jié)構(gòu)分析中，花板上的大量圓孔限制了單元形狀和邊長(zhǎng)，導(dǎo)致單元數(shù)量激增，僅單個(gè)花板就需要占用數(shù)千個(gè)單元，嚴(yán)重制約袋式除塵器設(shè)計(jì)計(jì)算的效率。

采用均勻化方法，將花板結(jié)構(gòu)（如圖3（a））首先等效簡(jiǎn)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(jiǎn)化為平板（如圖3（c））[4、5]。經(jīng)過第一次簡(jiǎn)化，花板單元數(shù)可以減少到原來的1/2，再經(jīng)過第二次簡(jiǎn)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(jiǎn)化可以有效減少除塵器結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的資源消耗，顯著提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率。經(jīng)進(jìn)一步的對(duì)比驗(yàn)證，簡(jiǎn)化前后計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差小于5%，完全可以滿足工程計(jì)算的精度要求。

圖3 花板等效簡(jiǎn)化

2.5 本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

袋式除塵器是全鋼結(jié)構(gòu)，體積龐大。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)材料在結(jié)構(gòu)上的合理分配，達(dá)到結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和設(shè)備長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以重量為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變和幾何尺寸等為約束條件，以結(jié)構(gòu)部分尺寸為設(shè)計(jì)變量。因此需要研究并實(shí)現(xiàn)非線性復(fù)雜約束條件下的結(jié)構(gòu)整體和局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(jié)構(gòu)。以最大位移為約束條件，板厚、不等邊角鋼長(zhǎng)短邊尺寸為設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化前箱板重948.6kg，優(yōu)化后箱板重817.4kg，實(shí)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(shè)計(jì)變量，優(yōu)化后的重量可減少到722.0kg，進(jìn)一步省材11.7%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，目前一些企業(yè)生產(chǎn)的袋式除塵器箱板結(jié)構(gòu)已普遍采用壓型板結(jié)構(gòu)。

一般來說，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，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(jié)構(gòu)整體的鋼材消耗約15%。

3 袋式除塵器結(jié)構(gòu)虛擬生成和虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

除塵器大型化以后，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化處理。然而，結(jié)構(gòu)模塊化以后，是否能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的可靠裝配，則需要進(jìn)行檢驗(yàn)。針對(duì)大型模塊化袋式除塵器工程裝配問題，采用世界樹構(gòu)造的場(chǎng)景（包括天空、地面、背景實(shí)體等）、特效（包括霧、光暈、粉塵等）和結(jié)構(gòu)實(shí)體（包括灰斗、梁、柱、支撐、箱板、隔板等）組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)出與Open GL World引擎結(jié)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(shí)現(xiàn)袋式除塵器結(jié)構(gòu)虛擬生成和虛擬裝配的全過程。首先，采用圖形繪制技術(shù)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?gòu)慕M件列表中選擇相應(yīng)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(jié)構(gòu)虛擬生成和虛擬裝配，可以達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)K化結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可靠裝配的目的。

圖4 由組件到模塊再到設(shè)備的虛擬裝配流程

4 結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分析和變形控制技術(shù)

袋式除塵器結(jié)構(gòu)主要依靠焊縫連接，施工中的焊接變形是影響設(shè)備使用安全的一個(gè)重要因素。針對(duì)固有應(yīng)變法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析的不足，可采用固有應(yīng)變加載的溫度載荷法，實(shí)現(xiàn)分布式固有應(yīng)變加載，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種方法可以有效提高計(jì)算精度；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jì)算公式，開發(fā)了定位夾具，申請(qǐng)了兩項(xiàng)實(shí)用新型專利；根據(jù)反變形法焊接變形控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可消除70%以上的焊接變形[9、10]。

5 結(jié)語(yǔ)

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(shù)瓶頸問題，可以大大提高袋式除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的效率和水平，已經(jīng)在袋式除塵器優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(yīng)用，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]項(xiàng)柱，楊新華.基于XML的有限元二次開發(fā)模型研究與實(shí)踐[J].微機(jī)算計(jì)信息，2007，23（7-3）： 216-217，272.

[2]余濤，楊新華.袋式除塵器梁翼緣削弱型角節(jié)點(diǎn)的有限元分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011，26（3）：36-40.

[3]夏長(zhǎng)明，吳瑩，楊新華.大型袋式除塵器節(jié)點(diǎn)剛度的近似計(jì)算公式[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)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(xué)性質(zhì)分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[J].重型機(jī)械，2006，（4）：19-22.

[6]曾青，楊新華，大型袋式除塵器花板活荷載標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007，（3）： 10-11，30.

[8]張偉，楊新華，魏爽，工程結(jié)構(gòu)虛擬裝配引擎的動(dòng)畫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)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?jiǎng)?，李春植，陳傳堯，焊接變形預(yù)測(cè)與控制的研究進(jìn)展[J].機(jī)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（編號(hào)：2005AA642010）。

楊新華（1967—），男，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事材料力學(xué)行為、結(jié)構(gòu)計(jì)算仿真和多尺度數(shù)值分析方法等方面的研究工作。