基于ansys对袋式除尘器箱体箱板结构的设计、优化及分析

基于ansys对袋式除尘器箱体箱板结构的设计、优化及分析内容摘要：

空间。 介于此，就有了如下疑问： amp。 新型除尘器中所应用的围护板 压型板是否是最优的承载结构形状。 第一章 绪论 6 而新结构所应满足的基本要求如下：  在极限的情况下，即壳体内的负压达到 12KPa 时，按照新型设计结果下的设计尺寸制造的新型承载围护板强度和刚度是否能满足要求。  对围护板进行结构的再设计，在满足强度和刚度的基础上确定相应结构的最优设计变量，节省钢材的损耗量。 针对上述问题和要求，本文本着没有最优只有更优的理念，充分利用 Ansys强大的拓扑优化模块和设计优化模块，探索出了一种更优的承载结构。 ANSYS 软件介绍   1415 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、 磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发。 它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块 :  前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动 力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；  后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出；  另外还有强大的设计优化模块和拓扑优模块。 第一章 绪论 7 论文的研究内容、方案及特色 论文的研究内容 利用大型分析软件 ANSYS ，对袋式除尘器中箱体箱板进行概念性结构拓扑优化设计、最优尺寸设计和对其结构的性能分析研究。 即利用 ANSYS 对袋式除尘器中箱体箱板结构重新设计优化并且将其与以往压型板结构的力学性能及经济性进行比较，从而找出最优箱板结构（确定箱板结构形式和最优尺寸）。 并为此类设备的设计开发，提供依据。 本课题研究方案 ； “天津设计院”的箱体平面图； ANSYS 的各项模块功能及拓扑优化的理论知识 ； Ansys 的拓扑优化功能确定最优箱板的基本结构形式；  建立单一箱板截面平面模型，在 ansys 中定义相应属性，施加边界条件及载荷 16 ，选择多种优化参数 (如体积的减少量），得到多种相应条件下的拓扑优化的概念性材料分布图。  根据现行的制造限制从中选出具有较高可行性和经济性（例如钻孔比切出某种形状的槽更容易和廉价）的外形方案。  用合适的载荷及边界条件做一个静力分析，并用许用应力及挠度评估设计。 ANSYS 对新型箱板 进行建模、有限元分析，根据分析结果确定新型箱板的优化参数，并对新型箱板进行优化； ；。 第一章 绪论 8 研究目标 通过对箱板结构外形的设计、比较、分析和优化，获得袋式除尘器箱体箱板的最佳结构外形及相应的最优结构尺寸，得到最经济、省材又符合设计要求的箱板结构形式及尺寸。 主要特色 基于 ANSYS 软件中经典有限元分析模块、优化设计模块和拓扑优化模块 ，实现了产品的结构外形设计、分析仿真和优化，完成了整个研发过程的所有工作，从而大大简化了产品的开发流程。 论文的研究意义 除尘设备的需要 1) 袋式除尘器的应用前景 随着对环境保护认识的逐步提高，国内对大气排放的要求将会逐渐与欧美各国的排放水平接近。 目前，欧共体各国的粉尘平均排放要求低于 20mgm3 a 如果需要达到此水平，应用目前的科技也只能采用高效的滤纸除尘器。 因此国内各有关环保组织正在大力呼吁推广使用滤袋除尘器以代替静电除尘器提高除尘效率。 2) 袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备 袋式除尘器的最大优点就是除尘效率高，在实验室高达 %，在实际应用中也达到 %，粉尘排放浓度可达到 10mg/m3 以下，甚至达到 2mg/m3，这是袋式除尘器的过滤机理所决定的。 这个机理就是使粉尘附着在滤袋上，用粉尘来过滤粉尘。 因此，袋式除尘器的除尘效率最高。 3) 箱体外形结构设计必要性 针对袋式除尘器的研究多集中在下框架和围护钢板的受力特点和设计优化，而对灰斗 、中箱体、上箱体等部分的研究较少，其受力研究和优化设计经验十分贫乏。 同时，由于缺乏能够准确反映其结构受力性能的设计准则，加之除尘器结构第一章 绪论 9 设计多由工艺人员设计完成，人们在进行除尘器结构设计时，往往过于保守或过于大胆，造成材料浪费或安全隐患的后果。 而除尘箱的基本结构中，由于其所处的环境，使得除尘设备壳体箱板加工工艺是制造低压脉冲袋式除尘器的工艺难点。 壳体箱板设计是除尘器设计的关键，直接影响到设备的整体设计，影响到产品质量，以及生产费用。 ANSYS 软件的应用 在科技发展日新月异的今天，传统的产品研发 模式正发生着根本性的变革。 而 ANSYS 软件作为集强大的产品设计、分析和优化功能为一身的科学软件，真正实现了产品的结构外形设计、分析仿真和优化，完成了整个研发过程的所有工作，从而大大简化了产品的开发流程。 自我能力的提升 通过此次设计，学生能够熟练掌握除尘器的工作原理，并从中了解产品设计的一般流程，为以后参加工作实践打下基础；还可将所学理论知识进行综合运用，提高学生驾驭知识的能力；并能熟练运用 ANSYS 软件。 第二章 结构优化设计 10 第二章 结构优化设计 随着科技水平的日益发展，人们对工程中所使用的各 种零部件提出了高的使用要求。 如何在满足约束条件的基础上，更好地对结构进行优化设计，一直是工程界不断努力追求的目标。 优化设计概述   1718 优化设计是一种寻求确定最优设计方案的技术。 所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如质量、面积、体积、应力、费用等）最小。 也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。 设计方案的任何方面都是可以优化的，比如，尺寸（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位 置、制造费用、自振频率、材料特性等。 实际上，所有可以参数化的 ANSYS 选项都可以作优化设计。 任何一项工程或一个产品的设计都需要根据设计要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳设计目标。 为此，用 Ansys Workbench 在对结构进行工程分析得到可行设计方案的基础上，对其进行进一步的优化设计，从结构的形状优化到设计参数的优化选择，通过这一过程，可以提高产品设计技术指标，并满足结构轻量化的目标。 随着科技的发展，市场的竞争越来越激烈，优化技术的概念也在工业生产中逐渐受到重视，其重要性可归纳如下： (1)减少零件制造时所需材料，因此降低制造成本及运输成本。 (2)由于材料的减少，使得产品整体重量大幅降低；相对地，产品重量降低，能量损失亦减少、系统效率增加，因此也达到环境保护的功能。 (3)降低应力、增加结构强度。 (4)改善产品外型。 (5)最佳化设计的过程可由计算机软件自动执行分析及控制设计参数，不须第二章 结构优化设计 11 再依赖大量的人工做产品应力及结构分析的工作，从而减少产品设计过程中的人力消耗，缩短产品研发周期。 优化设计基本理论   1718 优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，在满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。 优化问题的数学模型可表示为： minF(X)=F(x x„ xn) gi (X)= gi(x x„ xn)≤ 0 (i=1,2„ n) hj (X)= hj(x x„ xn)=0 (j=1,2„ p) X=(x x„ xn)T F(X) 为目标函数，是设计变量的函数，用来评价设计方案的优劣，优化问题即为求目标函数的极值。 gi (X)， hj (X)为 约束条件，是设计变量取值范围及状态变量空间范围的限制条件，是设计变量的函数。 X 为设计向量，由设计变量形成，是设计中需优选的设计参数，每个设计向量即为一个设计方案，设计向量的集合为设计空间 R，满足约束条件的设计向量的集合可行域。 求解优化问题的方法一般采用数值迭代法如罚函数法（ SUMT），将约束优化问题转化为非约束化问题，通过迭代，逼近目标函数极值。 有限元法与优化方法是工程分析中最主要的两个数学工具，将两者有机地结合起来，充分发挥有限元法数值计算准确性及优化方法求极值的高效性，将在工程分析中发挥巨大的威力。 由于传统优化方法求解的基本前提在于目标函数及状态变量的函数方程的建立，而对于大型复杂结构的有限元模型来说，要想得出目标函数及状态变量的解析表达式是十分困难甚至是不可能的，为了将有限元法与优化方法结合起来，则必须给出目标函数，状态变量函数的显函数表达式。 第二章 结构优化设计 12 结构优化设计分类     17 18 19 20 结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，根据结构的类型和形式、工况、材料和规范所规定的各种约束条件（如强度、刚度、稳定、构造要求等），提出 优化的数学模型（目标函数、约束条件、设计变量），然后根据优化设计理论和方法求解优化模型，以获得最佳的静力或动力等性态特征。 根据问题的特点，结构优化与结构设计的过程相对应大体上分为三个层次（见图 ）：尺寸优化、形状优化和拓扑优化，分别对应产品的详细设计阶段、基本设计和概念设计阶段。 图 结构优化类型 尺寸优化是在给定结构的类型、拓扑、形状的基础上，对构件的尺寸进行优化，其设计变量可能是杆的横截面积、惯性矩、板的厚度等；形状优化是在给定结构的类型、拓扑的基础上，对结构的边界形 状进行优化，属于可动边界问题，对于连续体结构通常是用一组参数可变的几何曲线（如直线、圆弧、样条等）描述结构的边界，调整了这些参数就改变了边界的形状，对于桁架结构则往往以节点坐标为设计变量；拓扑优化主要是在规定的设计区域内，在给定的外荷载和边界条件下，改变结构的拓扑以满足有关平衡、应力、位移等约束的前题下，使结第二章 结构优化设计 13 构的某种性态指标达到最优。 对于骨架类结构（包括桁架和框架）来说，关注结构中单元的数量和节点连接方式，对于连续体结构来说，关注结构的外边界形状和内部有无孔洞及孔洞分布状况等特性。 正如前面所介绍的箱体侧板 的设计优化历程，目前，尺寸优化和形状优化理论已经发展的相当成熟，并且在生产实践中得到广泛应用，其中一些经典的优化算法已融入到一些商用有限元软件中，如 Nastran、 Idears、 Ansys、 Strand7 等。 结构拓扑优化在工程结构设计的初始阶段可以提供一个概念性设计，帮助设计者对复杂结构与部件能够灵活地、理性地优选方案，寻找结构最佳的传力路径。 与尺寸优化和形状优化相比，结构拓扑优化确定的参数更多，取得经济效益更大。 ANSYS 提供了两种方式来进行结构优化设计：  拓扑优化设计  形状优化设计 . 拓 扑优化设计 在产品概念（初期）设计阶段，如果是全新产品、或较大程度的改形设计，在没有证明是最优结构现有产品以供参考、或没有既有成功经验以供借鉴的基础上，是很难采取有效手段来快捷、准确地确定产品初始构型的。 基于 CAE 技术发展起来的拓扑优化设计技术就是用来解决这个问题的。 拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。 拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。 这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。 与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。 目标函数、状态变量和设 计变量都是预定义好的。 用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。 拓扑优化的目标 —— 目标函数 —— 是在满足结构的约束（ V）情况下减少结构的变形能。 减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。 这个技术通过使用设计变量（ i）给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。 这些伪密度用 PLNSOL，第二章 结构优化设计 14 TOPO 命令来绘出。 例如，给定 V=60表示在给定载荷并满足最大刚度准则要求的情况下省去 60%的材料。 图 表示满足约束和载荷要求的拓扑优化结果。 图 表示载荷和边界条件，图 表 示以密度云图形式绘制的拓扑结果。 图 体积减少 60%的拓扑优化示例 形状优化设计 形状优化设计技术的大规模发展已有近 20 年的历史，它是在 CAE 技术及数学规划方法的基础上发展而来的一种设计方法，主要用于产品详细设计阶段。 其基本原来是：以参数化方式建立 CAE 模型（设计参数），在满足所设定的设计要求的条件下（约束函数），运用各。