褚 帥，張春光，李上青，張俊峰，安 磊，楊煜兵，劉佳慧

(沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110043)

0 引 言

空冷島清洗裝置是一種應用于發(fā)電廠空冷系統(tǒng)對空冷凝汽器的清洗設備，空冷系統(tǒng)的空冷凝汽器多安裝在空冷平臺上，暴露于大氣中, 受環(huán)境、工況、使用年限等影響染積灰嚴重,空氣中的粉煤灰、灰塵等, 沉積在空冷凝汽器的翅片管上造成熱阻增大, 換熱能力下降, 真空下降,背壓升高，機組出力受阻，發(fā)電效益受損[1]。通過理論分析和國內(nèi)外許多空冷電站調(diào)查發(fā)現(xiàn)，運行維護中最重要的措施之一就是對空冷凝汽器表面進行清洗。經(jīng)過徹底清洗的空冷凝汽器可以使機組背壓降低大約8 kPa[2]。空冷島清洗裝置桁架結(jié)構作為整個清洗裝置的支撐部分，應保證足夠的強度和剛度來維持整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但在實際設計、生產(chǎn)過程中，設計人員往往只考慮了桁架結(jié)構的可行性方案，造成桁架結(jié)構笨重，材料浪費嚴重等問題。因此，在桁架結(jié)構設計中不僅要選擇合適的結(jié)構形式，還要對選定的桁架結(jié)構進行優(yōu)化設計，從而達到節(jié)約材料，降低成本的目的。筆者以一個清洗高度為9 m的空冷島清洗裝置桁架結(jié)構為研究對象，通過Ansys Workbench 對桁架結(jié)構進行靜力分析和桁架適用梁的截面尺寸進行優(yōu)化，使空冷島清洗裝置在滿足工作條件的同時為企業(yè)降低成本，實現(xiàn)利潤最大化。

1 有限元模型的建立

空冷島清洗裝置上設有安裝噴嘴的清洗架，可供清洗裝置水平移動的水平驅(qū)動機構及可供清洗架上、下移動的垂直行走機構。考慮到上述機構部件對桁架的整體剛度影響有限，建立有限元模型時將其全部省略，在進行靜力分析使以質(zhì)量點的形式作用于桁架結(jié)構上?；谝陨蠗l件，在DesignModeler中的三維模型如圖1所示。

圖1 空冷島清洗裝置桁架模型

其中桁架垂直段長1.134 m，傾斜段長7.1 m，寬0.7 m。桁架主弦桿采用60×25×3矩管，腹桿為25×25×3方管。底梁采用56×39×39×2的U型型材。材料選用AL6061鋁合金，其密度ρ=2 700 kg/m3，泊松比μ=0.33，彈性模量E=69 000 MPa，屈服強度σs=58 MPa。

對桁架的有限元網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格生成法，網(wǎng)格單元尺寸(size)設為30 mm。桁架有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 空冷島清洗裝置桁架的網(wǎng)格劃分

2 空冷島清洗裝置桁架的靜力分析

空冷島為減小風沙、柳絮等空中漂浮物對空冷凝汽器設備的影響，在空冷島安裝圍欄進行阻擋。因此，清洗裝置在實際工作中，所受風載荷很小，本文在靜力分析中不予考慮。在靜力分析中，文中主要通過對清洗裝置的啟動、制動工況進行靜力分析的確認，在最不利的結(jié)果條件下進行優(yōu)化設計。

(1) 清洗裝置結(jié)構自重

空冷島清洗裝置桁架上主要安裝水平驅(qū)動裝置，垂直驅(qū)動裝置及清洗架。各部分自重情況如表1所列。

表1 清洗裝裝置結(jié)構自重 /kg

(2) 清洗裝置的工作載荷

清洗裝置的工作載荷在不同工況下，主要包括：①啟動工況下的啟動加速度；②制動工況下的制動減速度。為避免啟動和制停時清洗裝置出現(xiàn)大幅度的翩擺而的清洗裝置脫落事故發(fā)生，通過控制系統(tǒng)設定為勻加速、勻減速運行。故，加速度可由下式的得出：

a=(V0-Vt)/t

式中：a為啟動加速度(制動減速度)；V0為初始速度；取V0=0 m/min；Vt為勻速運行速度；取Vt=22 m/min；t為啟動時間(制動時間)；啟動時間t=0.3 s，制停時間t=0.5 s。

(3) 清洗裝置桁架的約束條件與分析結(jié)果

將桁架視為下端鉸接，上端可移動腳支撐的靜定梁進行分析。因此，梁下端為全約束條件，上端Y軸固定約束，X、Z方向釋放約束。桁架在啟動制造工況下的最大組合應力、變位圖如圖3～6所示。

圖3 啟動工況-最大組合應力

如圖3、圖5所示，桁架在啟動、制停工況下的最大組合應力應力分別為σs1=41 MPa和σs2=38 MPa，最大組合應力發(fā)生位置為底梁與主弦桿的焊接處，屬于應力集中的問題。文中主要從桁架整體結(jié)構的優(yōu)化設計來考慮分析，因此對局部的應力集中問題不予考慮。從整體應力云圖綜合來看，桁架主弦桿、腹桿及底梁的最大綜合應力σs在15 MPa左右。桁架結(jié)構選用材料為AL6061鋁合金材質(zhì)，材料需用應力[σs]=58 MPa/1.5=38.6 MPa。既σs<[σs]，桁架的結(jié)構強度滿足要求。

圖5 制停工況-最大組合應力

如圖4、圖6所示，桁架在啟動、制停工況下的最大變位分別為δ1=20.8 mm和δ2=44.5 mm。發(fā)生在桁架上端部，桁架的最大偏擺角度為θ=arctan(44.5/8100)=0.31°，遠小于實際工作中桁架允許偏擺角度為1°的要求(許用變位[δ]=141.39 mm)，因此桁架結(jié)構滿足剛度要求。

3 空冷島清洗裝置桁架的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化模型的建立

桁架主弦桿采用60×25×3矩管，腹桿為25×25×3方管。以桁架的質(zhì)量作為優(yōu)化目標，達到桁架整體減重，降低成本的目的。從目前產(chǎn)品結(jié)構的靜力分析結(jié)果來看，主弦桿及副桿的型材存在較大的優(yōu)化空間。因為材料的密度是一定的，所以桁架的總重量與總體積是等效，所以將通過對型材截面尺寸的優(yōu)化來實現(xiàn)桁架質(zhì)量優(yōu)化的目的。另外，從靜力分析結(jié)果來確認，啟動與制停工況下的桁架主弦桿、腹桿的應力基本相同，但端部變位在制停時遠大于啟動工況，因此以制停工況下的最大組合應力σs及變位δ作為輸出參數(shù)進行優(yōu)化設計。

采用Workbench中的Design Exploration模塊為優(yōu)化工具，及桁架適用型材的截面尺寸作為輸入?yún)?shù)，以最大組合應力和最大變位作為輸出參數(shù)，建立優(yōu)化結(jié)構模型。其中，考慮到桁架在實際制造中型材的適用行問題，腹桿的高、寬尺寸與主弦桿的寬度尺寸相同，腹桿厚度與主弦桿厚度相同。既，優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)為主弦桿立邊高度H(輸入?yún)?shù)P1)，寬度B(輸入?yún)?shù)P2)及厚度T(輸入?yún)?shù)P3)。試驗類型為Latin Hypercube Sampling Design，樣本類型為CCD Samples，得到的設計點優(yōu)化情況如表2所列。

表2 試驗點具體參數(shù)值

3.2 響應曲面分析

響應曲面分析是Design Exploration優(yōu)化設計分析中的一種動態(tài)的顯示輸入輸出關系的分析形式，通過改變輸入?yún)?shù)變量值得到相應的輸出參數(shù)變量值。這種分析的優(yōu)勢在于可以提供各種輸入?yún)?shù)值的精準定位?；蛘咄ㄟ^固定一種或幾種輸入?yún)?shù)改變另外的一種或幾種輸入?yún)?shù)，觀察這種改變的輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的影響程度，為設計提供綜合決策的參考。

從圖7～12的響應曲面分析圖來看，輸入?yún)?shù)立邊高度(H)，寬度(B)及厚度(T)均與輸出參數(shù)δ及σs成線性關系，且H、B、T減小，δ及σs增大。輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的敏感性如圖13所示。

圖7 H、B、δ響應曲面分析圖

圖9 H、T、δ響應曲面分析圖

圖11 B、T、σs響應曲面分析圖

圖13 局部敏感性分析

3.3 目標驅(qū)動優(yōu)化

目標驅(qū)動優(yōu)化是一種多目標優(yōu)化技術，是從給出的一定量的設計點中得出最佳設計點。故優(yōu)化的樣本數(shù)量越多，優(yōu)化結(jié)果越精確。文中擬定樣本數(shù)量為1 000，通過目標驅(qū)動優(yōu)化后產(chǎn)生3組候選的優(yōu)化設計點，如表3所列。

表3 優(yōu)化解

由表3可以看出，在優(yōu)化解的3組設計點中，桁架適用型材的截面尺寸均有所減小，且最大位移滿足設計要求?？紤]到最大組合應力可能為局部應力集中問題導致的超出許用應力問題，因此對3組優(yōu)化解的設計值分別插入設計確認，最終確認優(yōu)化解3的設計值更為適合主弦桿、腹桿的型材尺寸，將優(yōu)化后的設計結(jié)果同優(yōu)化前設計結(jié)果進行比較，如表4?？梢钥闯鰞?yōu)化后主弦桿、腹桿的最大組合應力有所增加，但仍小于材料的許用應力，質(zhì)量由原來的68 kg降低為52 kg，降低了24%?？梢妰?yōu)化計算后桁架重量明顯降低，材料性能得到充分發(fā)揮。

表4 優(yōu)化結(jié)果對比

4 結(jié) 語

應用Ansys Workbench對空冷島清洗裝置桁架進行了有限元靜力分析和結(jié)構優(yōu)化，通過對影響桁架強度、剛度的主弦桿、腹桿的截面尺寸進行改進，使得桁架整體在滿足系統(tǒng)應力、變位的基礎上，實現(xiàn)了桁架的輕量化設計，減重24%。與傳統(tǒng)設計相比，使用Design Exploration設計模塊能夠節(jié)省更多材料，降低生產(chǎn)成本。同時也為其他零部件的優(yōu)化設計提供一種高效、可行的方法。