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                      除尘器

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析

                      作者:郑州快三投注环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-04-09 14:13:38

                      摘要:为了研究钢架的受力情况及可能的变形情况,根据某工程布袋除尘器钢架特点,采用实际工程数据基于ANSYS对钢架进行建模,考虑4种不同的工况并根据其具体特点,提出合理的约束加载方法及边界条件,研究分析了钢架在4种工况下的应力分布及变形情况。结果表明,用ANSYS建立的钢架有限元模型和计算方法合理,设计指标满足设计要求。该方法和结果为下一步研究布袋除尘器整体优化设计提供了理论依据。

                      关键词:布袋除尘器;钢架;有限元;工况

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析7.JPG

                      随着国家对环保的日益重视,越来越多的环保设备投入应用。布袋除尘器是一种新型的环保设备,广泛用于电厂、水泥厂、钢铁厂等。钢架位于除尘器的底部,作为整个布袋除尘器的“双腿”,起着支撑整个布袋除尘器的作用。钢架是一个静不定系统,以往的设计凭经验,由于不定方程多,求解困难。采用有限元法则不存在静不定问题,通过有限元建模进行分析,能直观地观察到工程的各项技术参数,有效提高工程的设计质量和可靠性。

                      1工程概况

                      本文模型所采用数据来源于某大型电厂布袋除尘器钢结构工程。工程地处福建福州。厂址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度0.05g,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,50年一遇,基本风压650Pa。

                      布袋除尘器的长宽高约为8.2×6×10.2m,其中钢架尺寸为7.7×6×5.5m,立柱与梁之间、支撑与立柱和梁之间为刚接。本例布袋除尘器的钢架底部焊有底板,底部与立柱底部还焊接有加强筋板,底板通过预埋地脚螺栓与地面连接在一起。立柱与横梁和纵梁之间,横向内撑、纵向内撑与立柱、横梁、纵梁之间通过高强螺栓或焊接相连接形成一个整体。钢架材料选用Q235,立柱采用H型钢,型号为HN350×150;内撑采用角钢,型号为L75×5。

                      钢架的立柱顶部支承布局为三排支座,中间采取一点刚性固定,故使用固定支座,四角使用万向柱脚支座,横向使用横向柱脚支座,纵向使用纵向柱脚支座。立柱顶部支承布置如图1所示。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析1.JPG

                      2有限元模型

                      ANSYS提供的单元类型及建模方式有多种,不同单元和建模方式的前提条件、考虑重点、计算方式和计算量都有所不同,ANSYS中beam188是两节点空间线性单元,每个节点各有三个平动和三个转动自由度,因此钢架主体采用beam188单元,由于本体重量通过壳体宽立柱作用在钢架顶部,所以使用mass21质量单元来模拟电除尘本体质量。利用ANSYS的APDL语言建立钢架有限元模型,图2是钢架有限元模型图,整个钢架有限元模型有1310个beam188单元,9个mass21单元,1639个节点。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析2.JPG

                      3模态分析

                      考虑风载、地震作用时,需要钢架的时程特性,包括自振频率和自振周期。为了防止结构发生共振,还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,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结果。模态分析的结构表明,钢架1~4阶振型的刚度分布比较均匀,钢架整体刚度强。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析3.JPG

                      4载荷工况分析

                      本例研究的载荷工况包括工艺载荷、地震载荷和风荷。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情况下,仍可视为随机性。

                      4.1工艺载荷及风载

                      布袋除尘器的工艺载荷包括恒载荷和活载荷两部分。恒载荷是布袋除尘器本体和附件的重量,活载荷主要有灰载荷、人载荷,在冬季下雪地区,还要计算雪载荷的影响,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立柱要承受更大的工艺载荷。对钢架施加工艺载荷,标记为工况1。

                      风压按式(1)计算:

                      W=W0?βz?μs?μz?μrec(1)

                      式中:W0为基本风压,基本风压值的确定可以是厂方提供的资料或查文献的基本风压表,此处取W0=650Pa;βz为Z高度处的风振系数,当钢架自振周期小ξ于等于0.25秒时,βz取1,当其大于0.25秒时,βz按βz=1+ξε1ε2计算,式中ξ为脉动增大系数,ε1为考虑风压脉动和风压高度变化影响的系数,ε2为考虑振型、结构外形的系数;μs为风载荷体形系数,此处取1.3;μz为Z高度处的风压高度变化系数,此处取2.02,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;μrec为重现期调整系数,按50年一遇计算,取1.1。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析8.JPG

                      与钢架所支撑的除尘器本体相比,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X向风载Wind-X时,钢架立柱A2和B2与C2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和C1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-X、Wind-Y以及同时施加Wind-X和Wind-Y作用,分别标记为工况2、工况3、工况4,其中工况4受力情况最复杂。其应力状态与应变情况如图3、图4所示。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析4.JPG

                      4.2地震载荷

                      实际工程设计中,布袋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。在实际工程设计中多采用谱分析法。使用谱分析法计算水平地震载荷时,首先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,利用地震影响系数曲线来确定地震影响系数,这样就确定了最大水平地震加速度的值,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的ACEL、ACELX、ACELY、ACELZ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。

                      4.3组合载荷效应

                      钢架除受到工艺载荷,风载荷和地震载荷外,还可能受到三者的组合载荷,考虑这些效应组合时,通常按照式(2)进行计算:

                      S=VGSG+VE1SE1+VE2SE2WSW

                      式中:SG、SE1、SE2、SW分别为工艺荷载、水平地震作用、竖向地震作用及风载效应;VG、VE1、VE2、ψW为作用分项系数。计算中应考虑的组合效应见表2。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析5.JPG

                      5结果及优化分析

                      通过对钢架进行有限元分析,计算不同工况下的受力情况,结果见表3。

                      基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析6.JPG

                      计算结果表明四种工况最大应力均小于Q235的许用应力158MPa,钢架最大变形量小于许用位移[v]=H/500=5500/500=11mm(H为立柱高度),故满足设计要求。比较四种工况,梁在每种工况下的应力都很小。由于内撑布置比较复杂,所以在X方向变形不明显,其在防止钢架受水平力发生侧移方面起到重要作用。工况的不同对立柱和横梁的影响较大,其中立柱B2与横梁相连接处受力较复杂,立柱B1、B2、B3同时承接两边灰斗,故变形也较为集中。综上,在设计钢架时,应在满足防侧移的情况下合理布置内撑位置并尽量减少内撑的数量,优化富余的钢架结构,使整个钢架结构更加合理。

                      6结语

                      结合实际工程参数建立有限元模型,分析研究不同工况下的载荷施加与计算方法,并进一步通过ANSYS软件合理地对钢架模型施加边界条件和载荷参数,计算出不同工况下的应力分布和应变情况,分析结果表明该钢架结构是安全的,并为下一步对钢架结构优化分析和改进提供了理论参考。

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