社区：
(太原理工大学机械工程学院,山西太原030024)
摘 要:根据某型号电除尘器钢结构主要部件底梁及支架的结构特点,利用大型通用有限元分
析软件I2DEAS ,建立其实体装配模型和有限元模型,并对底梁和支架进行了静力学的有限元分
析,研究了在各种载荷的共同作用下底梁和支架结构应力(应变) 以及位移(变形) 情况。结果表明,
应用I2DEAS 软件分析计算具有较高的精度,所建立模型和采用的计算方法合理,可进一步用于电
除尘器钢结构的优化设计。
关键词:电除尘器;底梁;支架;结构分析;有限元
中图分类号: TU834. 631 ; TP391. 75 文献标识码:A
目前,由于我国进行电除尘器钢结构的优化设计和精确理论计算起步较晚,注重程度不够,所以一些企业盲目对国外同类产品进行简单类比设计,过于注重经验,对成本计算和经济效益关注不多[1 ] 。尽管有些企业、高校和科研院所也对此做了一些相关的理论探讨,但是多采用简化的力学模型进行计算分析,因此很难实现合理的设计。随着CAD 技术的不断发展和推广,使得对复杂的电除尘器钢结构以实体建模进行力学分析成为可能。大型通用CAD 软件I2DEAS ,不仅在三维造型、建模、装配、加工、仿真等方面功能完善,而且在有限元分析计算、优化等方面技术成熟,通用性好,可进行复杂结构的静、动力学分析[2 ] 。笔者将利用其对大型电除尘器钢结构的重要承载部件底梁和支架进行精确的有限元计算,研究其在各种载荷共同作用下的结构应力(应变) 和位移(变形) 情况,以便将其用于电除尘器钢结构的优化设计。
1 电除尘器底梁和支架的建模装配及有限元模型
1. 1 建立实体模型
利用大型通用软件I2DEAS9. 0 进行电除尘器底梁及支架各部件的三维实体造型,然后组装成底梁和支架。为了在进行有限元分析时更加真实地反映实际情况,边界条件施加的更加准确,将某型号电除尘器底梁部分与支架部分组装起来(见图1) 整体
进行有限元分析。
图1 总装配图
1. 2 建立有限元模型
应用I2DEAS 软件的Simulation 模块可以在电除尘器底梁及支架三维实体模型的基础上建立有限元模型并进行力学分析。整个电除尘器底梁和支架的钢结构主要是由工字钢、角钢、钢板经切割、成型、焊接等工艺而成,其结构复杂;并且底梁和支架位于
整个电除尘器的底部,承担的载荷重,体积庞大;装配体总长为10. 860 m ,宽为7. 040 m ,高为8. 200m. 所以在建立有限元模型划分网格时, 采用I2DEAS 的Partition 命令,按照其结构特点将整个模型分成不同的区域分开划分,设置不同的单元类型和尺寸,以得到最优的网格划分,尽量减少网格的畸变,使分析结果更加准确。考虑到该结构的实际情况,模型选用I2DEAS软件中的线性4 面体单元进行自由式网格刨分,每个单元有4 个节点,4 个面,每个节点有3 个平移自由度。在划分时,将前后底梁、侧底梁、底中梁、支架柱支撑、角钢支撑、连接板等均分开进行划分,按照受载情况及结构形状设置不同的单元大小,总装配体共生成54 367 个节点,划分出25 949 个单元,划分出的有限元模型如图2 所示。
2 受力分析及计算
2. 1 载荷的分布
底梁和支架位于电除尘器的底部,因此承担着整个电除尘器各部件的重量,以及位于底部的两个灰斗和灰斗所盛灰的重量,还有底梁和支架自身的质量载荷也要计算在内。温度载荷以整体温度形式加载到底梁部分,而支架部分为常温。另外还要考虑到电除尘器的雪载和活载。加载时利用I2DEAS的Boundary Condition Set Management 对话框创建边界条件集,施加各项载荷。各项边界条件信息为:杨氏模量211 ×1011 Pa ; 材料密度71850 ×103kg/ m3 ;热膨胀系数1122 ×10 - 5 ;泊松比0.3 ;灰斗质量载荷18280kg ;雪载0. 25 kg/ m2 ;本体质量载荷48 233 kg ;温度载荷200 ℃;活载4 kg/ m2 ;储灰密度0.7 ×103 kg/ m3 .根据电除尘器的装配结构,支架的6 根支柱的底面采用全约束,即3 个平移自由度和3 个转动自由度均约束。载荷分布示意见图2.
2. 2 有限元模型的分析计算
由于本例的结构复杂,节点、单元数量繁多,所以采用传统的H 法求解这个线性静力学问题,即通过加密网格来提高精度,这样与P 方法(通过提高单元形状函数和位移函数的阶次提高计算精度) 相比不仅计算机的计算量大幅降低,而且在尖角或拐角处不会产生P 方法中会出现的结果无法收敛的情况[ 2 ] 。分析计算是通过I2DEAS9. 0 软件的LinearStatic Analysis 一个结构分析有限元求解器来完成的,它适用于随温度变化的弹性材料的有限元分析计算。
3 计算结果分析
检查计算分析结果使用I2DEAS 软件的后处理器Post Processing. 通过分析处理,我们可以得到底梁和支架有限元模型在受到载荷之后,每一个节点所承受的最大、最小主应力、等效应力、支反力、应变能以及位移等。求解的结果信息见表1 至表4 ,底梁与支架的节点受力分布以及位移变形云图见图3. 整个结构节点所受的最大应力值为109 MPa ,最小应力值为10. 8 KPa ,最大位移值为2. 863 mm ,最小位移值为0 mm.
表1 应变能计算结果 J
总应变能 最大应变能 最小应变能 平均应变能
1. 167 ×109 5. 744 ×105 8. 635 ×10 -1 2. 142 ×104
表2 位移计算结果 mm
各方向位移/ mm X 轴方向 Y 轴方向 Z 轴方向
最大位移 0. 233 2. 863 1. 088
最小位移 -0. 229 -3. 013 ×10 - 5 -1. 096
平均位移 8. 470 ×10 - 4 0. 472 -6. 119 ×10 - 3
表3 所受应力计算 MPa
各种应力 第一主应力 第二主应力 第三主应力 剪应力 等效应力
最大值741 03 281 91 131 15 36175 68114
最小值- 211 08 - 261 38 - 731 24 01776 1 11421
平均值2. 470 - 01 146 1 - 5. 071 3. 770 7. 139
表4 支反力计算 N
各方向支反力X 轴方向Y 轴方向Z 轴方向
总支反力2. 000 - 1. 049 ×109 - 6. 000
最大支反力1. 548 ×107 1. 662 ×107 1. 301 ×107
最小支反力- 1. 336 ×107 - 7. 380 ×107 - 1. 591 ×107
平均支反力2. 564 ×10 - 2 - 1. 345 ×107 - 7. 692 ×10 - 2
通过对计算结果分析可以看出,底梁与支架在多载荷的共同作用下结构的最大拉应力、最大压应力、剪应力等均远小于材料的强度极限,最大的位移变形也远远满足结构的刚度要求。依据图3 的等效应力分布及变形云图显示,整体来说底梁与支架的受力、变形是比较均匀的,结构是合理的。由于底中梁和前、后底梁均为两头支撑中间悬空的承载状况,而他们承受的灰斗及灰的载荷比较大,使得它们的受力和变形相对较大。因此整个结构的等效应力最大点位于前、后底梁的角钢
图3 等效应力分布以及位移变形云图
支撑处,这与角钢的这种焊接结构强度不高有关系。而底中梁的中点则是整个结构的最大位移变形处,这与它的结构是H 型型钢有关。而侧底梁则是主要的承载梁,变形反而不是很大,说明它的设计是偏保守的。支架部分所受的应力和变形就更小了,主要的应力变形区是在与底梁的结合部分,虽然整体的受力比较均匀,但设计过于保守,造成了材料的极大浪费,因此电除尘器的底梁和支架部分是有很大的优化空间的。
4 结论
通过对电除尘器底梁和支架部分模型的整体有限元分析计算,得出如下结论。用I2DEAS 9. 0 软件Simulation 模块的有限元分析程序,可以准确地计算出底梁与支架的各构件不同截面的应力分布与数值以及不同位置的位移变形情况。根据其在各种载荷作用下的应力分析结果,可以认为该型号电除尘器底梁和支架的结构是基本合理的,但安全性过高,设计过于保守,其大部分构件尚有很大的优化空间,可以进行进一步的优化设计。
笔者应用同样方法,按比例降低受载大小,分别进行计算,得出整个结构所受的最大应力与所受载荷成指数关系变化,整个结构最大变形与所受载荷成线性关系变化,符合塑性材料的静力学特性。由此可以看出,应用I2DEAS 软件对大型钢结构进行有限元力学分析得到的结果是可靠和准确的。同时通过对底梁和支架结构应力状态和变形状态的分析,为电除尘器底梁和支架结构以及其它钢结构部件的分析、优化设计及应用提供了良好的理论参考
依据。参考文献:
[ 1 ] 林尤文. 我国电除尘技术水平及电除尘发展中的问题和研究方向[J ] . 中国环保产业,1995 (12) :18219.
[ 2 ] 廖日东. I2DEAS 实例教程有限元分析[M] . 北京:北京理工大学出版社,2003.
[ 3 ] 吴凤林,任黎明. 电除尘器本体结构的优化设计[J ] . 机械研究与应用,2000 , 13 (1) :34236.
Finite Element Analysis on Large Mudsill and Bracket
of Large2Scale Electrostatic Precipitator Steel Structures
HOU Yong2chao , YANG Zhao2jian , WANGYi2l iang
( Col lege of Mechanical Engineering of TU T , Tai y uan 030024 , China)
Abstract :Based on t he const ruction features of t he large mudsill and bracket in t he steel
st ructures of a type of elect rostatic precipitator , a f inite element model is establ ished wit h large2
scale finite element analysis sof tware I2DEAS , and the structural stress ( strain) and displacement
( deformation) of the mudsill and bracket under all sorts of loads are analyzed. The result s indicate
t hat analysis is relatively accurate , t he finite element model and t he analysis met hod is appropri2
ate. The result can be f urt her used for optimization design of the elect rostatic p recipitator steel
st ructures.
Key words :elect rostatic precipitator ; mudsill ; bracket ; st ruct ural analysis ; finite element
