电除尘器钢架有限元分析

1 工程概况
本丁程为台玻浮法玻璃废气系统配套电除尘器，地处东莞郊区。厂址区50年超越概率10％ 的地震动峰值加速度0．05 g，地震基本烈度6度，设计地震分组为第一组，场地土类别为II类，地震动反应特征周期0．35 S，50年一遇基本风压500 Pa。电除尘器长、宽、高为20．2 m×7 m×29．2 m，其中钢支架长、宽、高为12．24 m×6．7 m×8．368 m，立柱与粱之间为刚接，支撑与立柱和梁之间也是刚接，钢架材料选用Q235B，立柱顶部的支承布置如图1
所示。

2 钢架有限元几何模型
由于钢架节点均为刚接，因此每个节点有6个自由度，ANSYS中beam188是两节点空间线性单元，每个节点分别有3个平动和3个转动自由度，而且beaml88可自定义截面，建模方便，因此beam188单元可以很好地模拟钢架。电除尘器本体通过壳体宽立柱立在钢架立柱顶部，因此在钢架立柱顶部构造mass21质量单元来模拟电除尘本体质量。应用ANSYS的APDL语言建立钢架的有限元模型，图2是钢架有限元模型图，整个钢架有限元模型有600个beam188单元，8个mass21单元，828个节点。

3 模态分析
钢架考虑风载、地震作用时，需要知道钢架的时程特性，包括自振频率和自振周期，还要防止结构发生共振，因此必须对钢架体进行模态分析。使用Block Lanzos法对钢架进行模态分析，根据文献[1]，应考虑钢架结构1～4阶低阶振型的影响，表1是钢架1～4阶自振频率和自振周期模拟结果。模态分析的结果表明，钢架1～4阶振型的刚度分布比较均匀，钢架的整体刚度较强。

4 载荷工况
地震载荷为随机载荷，无主导方向。风载荷从长期统计学角度考虑存在主导方向，但在无明确历史记录依据和实际场地比较复杂的情况下，仍可视为随机性。
4．1 工艺载荷计算及施加
电除尘器的工艺载荷包括恒载荷和活载荷两部分，恒载荷是电除尘器本体和附件的重量，活载荷主要有灰载荷及人载荷，对于冬季下雪地区，还应该计算雪载荷的影响，其中灰载荷应按灰斗满灰计算。
工艺载荷垂直加载于钢架立柱顶部，由于工艺载荷中间重两边轻的特点，因此，中间的立柱比两边的要
承受更大的工艺载荷。对钢架施加工艺载荷，标记为T 况1。
4．2 风载荷计算及施加
根据文献[1]，风压按下式计算：

由文献[1]查取。必须指出，对于非表中的风压高度变化系数值要用插值法求解； 是重现期调整系数，按50年一遇计算，取1．1。与钢架所支撑的电除尘器本体相比，钢架的迎风面积很小，风载荷对钢架的直接作用也很小，可忽略不计，但由于风载荷对电除尘本体作用很大，钢架顶部对壳体立柱底部有约束作用，因此，风载荷对钢架的作用表现在钢架顶部产生约束反力。当作用向风载Wind— 时，钢架立柱B1和B2顶部将产生
约束反力，当作用Y向风载Wind—Y时，钢架立柱A1、B1、C1和D1顶部将产生约束反力。
由于风向无明确历史依据，因此在钢架承受工艺载荷的情况下，对钢架分别施加Wind— 、Wind— Y以及同时施加Wind— 和Wind—Y作用，分别标记为工况2、工况3、工况4，研究在这三种工况下钢架的受力情况。
4．3 地震载荷计算及施加
根据文献[2]，电除尘器抗震设计考虑在6～9度范围内，6度设防时不必计算地震作用，只考虑规定抗震措施，7～9度地震设防时要计算地震作用并考虑抗震措施，9度设防时应考虑竖向与水平地震作用的不利组合。
ANSYS对结构进行地震响应分析大致有两种：谱分析法和时程分析法。谱分析法是通过设置形如抗震设计规范所规定的地震影响系数曲线加速度反应谱而完成分析；时程分析法也叫瞬态动力学分析，是通过对结构施加不同的时程曲线来实现。在实际工程设计中，多采用谱分析法。利用谱分析法计算水平地震载荷时，首先应根据场地土场类别和设计地震分组确定场地特征周期，再根据钢架自振周期和场地特征周期，利用文献[2]中的地震影响系数曲线确定地震影响系数，这样就确定了最大水平地震加速度的值，从文献[2]可知，竖向地震影响系数的最大值可采用水平地震影响系数最大值的65％ ，最后利用ANSYS命令施加相应方向的最大地震加速度。本工程设计基本烈度为6度，可以不必计算地震作用，只考虑规定抗震措施。
4．4 组合载荷效应的计算
钢架除受到_丁艺载荷、风载荷和地震载荷外，还可能受到三者的组合载荷，文献[5]对电除尘器的组合载荷效应有比较详细的说明，可予以借鉴。考虑这些效应组合时，通常按照下式进行计算：

5 计算结果及讨论
对钢架进行有限元分析，计算钢架在不同T况下的受力情况，计算结果见表3。

计算结构表明，4种T况最大应力均小于Q235B的允许应力140 MPa，钢架变形也不大，满足设计要求。比较4种T况，梁在各种T况的应力都很小，不同工况对立柱和内撑的影响比较大，其中与内撑相接的立柱C1和C2受力最复杂，各种T况最大应力也发生在立柱C1和C2上。因此，可以认为内撑在防止钢架受到水平力发生侧移方面起到重要作用，但另一方面，内撑也加大了与之相连接立柱的应力。所以在钢架设计时，应在满足防侧移的情况下尽量减少内撑的数量。
6 结语
本文比较系统地讲述了如何应用有限元分析电除尘器钢架，包括钢架有限元建模和载荷的计算。使用ANSYS对钢架进行有限元分析，计算结果表明，该工程的钢架是偏安全的。通过对钢架的应力状况和变形状态的分析，为电除尘器钢架及其他部件的计算提供了理论依据。
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作者简介：曹友洪(1980一)，男，福建长汀人，硕士研究生，研究
方向为电除尘器本体结构计算及优化。E—mail：cyh3278#163.com