袋式除塵器產品的現代設計技術

□□王作杰，李桂超

袋式除塵器產品的現代設計技術

Modern Design Technology of Gag Filter

□□王作杰，李桂超

基于現代設計技術的袋式除塵器產品研發，通過建立參數化模型有限元網格計算及協同CAE分析，實現產品零部件及整機結構的協同優化。針對袋式除塵器產品設計要求，研發了CAX／CFX輔助設計系統，定制了產品結構優化流程，研發了柔性化設計工具軟件。應用表明：采用人機交互及自動化集成相結合的計算機輔助優化設計方法，基于現代設計技術的綜合應用工具，從整體上提升了袋式除塵器產品研發水平；通過直接面向用戶的快捷設計及穩健設計模式，針對實際工況確定優化子結構模型及優化函數，最大限度利用已有設計經驗、設計工具及設計規范。

現代設計技術；產品結構優化；袋式除塵器；CAX／CFX

1 引言

隨著國家環保排放標準的日益嚴格，作為能夠對微細粉塵排放進行高效控制的袋式除塵器，已經在電力、制藥、水泥、冶金、化工等行業獲得廣泛應用。文獻[1]的統計顯示，國內袋式除塵器的使用比例占整體除塵設備使用數量的60%；水泥行業使用比例達到75%左右，并在逐年擴大；鋼鐵、有色冶金行業袋式除塵器的使用比例達95%；電力行業袋式除塵器的使用比例也正在迅速擴大。

大型袋式除塵器產品因其結構復雜、體型碩大、單用戶定制、零部件標準化程度低等特點，使得設計工作量大、周期長，成為制約袋式除塵器產品設計、生產、使用等各個環節的發展瓶頸問題。據統計，產品在設計階段可以決定其制造成本的75%～80%［2］，同時還可以極大影響其運行和維修成本。因此，對袋式除塵器產品設計技術的深入研究和應用，具有相當大的經濟效益。

天津水泥工業設計研究院有限公司針對上述問題，在袋式除塵器的產品的現代設計技術方面做了深入探討，研發出面向產品結構的集成多個設計、分析平臺的多參數、多目標設計優化軟件，以期縮短設計周期，降低設計及制造成本，提高安全可靠性，增強企業技術創新能力。

2 產品現代設計技術及袋式除塵器產品特點

隨著科技進步和設計工具特別是電子計算機技術的發展，設計的自動化和精密計算得以實現。在繼承了基于直覺、經驗、半理論半經驗的所謂“傳統設計”的精華后，以滿足產品質量、性能、成本等綜合效益最優為目的，以計算機輔助技術（CAX）為主體，以數學、力學等科學方法和現代信息技術、領域協同技術等為手段而研究創造、改進產品的一系列“現代設計技術”，包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工藝過程設計（CAPP）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助創新（CAI）、優化和可靠性設計、價值工程、產品數據管理（PDM）、疲勞設計、并行設計、虛擬設計等，近年來不斷涌現和發展。

在計算機技術迅猛發展后，結合現代數值方法和工程設計理論與方法，較早形成的現代設計技術——CAD，在幾何建模、工程計算、圖形及數據處理、分析檢驗、文件編制等方面，系統功能已經相當完備。

CAD較早的技術支撐軟件代表為AutoCAD，至今它依然是眾多設計院所、企業、工程教學單位使用最多的設計平臺軟件之一，它最方便、最出色的圖形處理能力主要表現在二維域中。近年來，技術支撐層面的軟件包括：Pro／E(Pro／Engineer)、SolidWorks、UG等等，處理三維圖形的能力都相當強大；設計中所直接生成的3D結構圖，所描述的結構空間形狀、結構之間的相互關系等都非常直觀明確；尺寸和裝配關系的約束條件設置增強了其設計、組裝和制圖的功能；對結構材料屬性的賦值可以實現對結構的物理分析。而其參數化設計技術，不僅使CAD具有交互功能，還具有自動繪圖功能，可以讓設計人員從繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，大大提高設計速度，并減少了設計信息的存儲量。

圖1 典型CAD／CAE集成體系結構

圖2 “袋式除塵器結構設計優化系統”（T1.0版）界面

現代設計技術的核心技術是CAE技術。它是利用計算機求解復雜工程和針對產品結構強度、剛度、穩定性、三維多體接觸、彈塑性等力學性能，作出分析計算和結構性能的優化設計，是一種數值分析方法。通過結構的離散化，CAE對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果，求解的近似程度取決于所采用的單元類型、數量以及對單元的插值函數，解決實際工程需要解決而理論分析又一時難以解決的復雜問題。其技術支撐軟件不少，諸如Ansys、IDEAS、Abaqus、ADINA、LS－DYNA、Moldflow等。其中，Ansys作為國內應用較廣、客戶成熟度較高的經典CAE軟件，尤其是在高校科研、鐵道、建筑、壓力容器等裝備制造的諸多領域得到了普遍應用。

CAE常采用CAD技術來建立幾何模型和物理模型，完成分析模型的離散化和數據的輸入，此過程為CAE的前處理；而計算結果及用CAD技術生成的圖形如應力、溫度、應變彩色云圖等的輸出，為CAE的后處理。前、后處理的技術為CAD與CAE技術集成的典型范例，圖1簡單地表達了這種集成體系結構。

因此，CAE技術可以理解成是與CAD＼CAPP＼CAM系統集成化發展而共生的成果，它主要的功能有：（1）借助計算機進行數值模擬計算，確保產品設計的合理性；（2）與優化技術配合，找出產品設計最佳方案；（3）起到虛擬樣機能預測產品在整個生命周期內的可靠性乃至整體性能的作用。當技術集成成功后，企業對現代市場產品的多樣性、復雜性、可靠性、經濟性就有了迅速的反應能力。這種能力，關系到企業的生存與發展。因此，目前在許多行業中，CAE技術已經作為產品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性規范加以實施。國外某些大汽車及飛機制造公司，零部件都必須經過多方面的CAE仿真分析，否則不能通過設計審查，更談不上試制和投產［3］。在可以預計的未來，這種技術的發展趨勢將在國內外各行各業迅速蔓延。

袋式除塵器既是環保設備，也是能夠產生巨大經濟效益和社會效益的工程裝備，對于水泥生產尤其如此。該類產品有如下特點：

（1）結構大型復雜，本體以鋼結構為主——本體結構體積碩大，鋼耗量多；零部件種類繁多，有多個一級部件，下面還有多個層級的部件和零件；裝備系統較多，有本體結構系統、噴吹系統、過濾系統、電控系統等等；設計、制造、安裝和調試的任務繁重、周期長。

（2）整機、部件規范化、標準化程度低，但相似性大，可重用資源多——整機裝備無國家及行業設計規范，主要零部件缺少相關的設計標準，以經驗性、模仿性或半理論半經驗的非標設計為主；主要零部件結構相似性大，某種程度上的重復設計較多。

（3）單用戶定制，按訂單生產——客戶化設計的工作量大，設計、制造及安裝周期長。

綜上因素，目前國內袋式除塵器普遍存在的鋼耗量大且指標落后，設計、制造、安裝調試的工作量大、周期漫長等致使成本高企，外加企業間激烈競爭和市場不規范等情況，出現整個產業利潤率普遍不高的現狀就不足為奇了。

針對上述問題，我們在探討了現代設計技術及其應用的基礎上，聯合幾所高校共同研發了一個面向產品結構的集成多個設計、分析平臺的多參數、多目標的設計優化軟件——“袋式除塵器結構設計優化系統”（T1.0版），在縮短設計周期、降低設計及制造成本、提高安全可靠性、增強企業技術創新能力和市場競爭力方面，取得了成果。

3 基于CAD／CAE等技術集成的袋式除塵器結構設計優化系統的研發與分析優化技術

對基于CAD／CAE等技術集成的結構設計優化系統，我們采用VC＋＋作為集成開發環境。作為一種主流的開發平臺，VC＋＋具有良好的軟件接口、數據交互、人機界面的開發功能，可以極好地滿足裝備結構設計優化過程中，對大量、多次、反復的數據交互、界面變換、文件存儲、后臺多種軟件切換運行控制等諸多要求，如圖2所示。

袋式除塵器結構設計優化系統按照功能，主要分成三大模塊——結構數據庫、結構CAE、結構優化。在結構數據庫模塊中，應用Pro／E強大的3D參數化建模功能、自適應裝配功能、與Ansys參數“無縫”雙向傳遞功能，建立了基于Pro／E的煙氣處理量≤200×104m3／h、袋長≤10m的單、雙列袋式除塵器一百多個整機基型的參數化3D模型庫，如圖3所示。與以往CAE建模方法相比，該方法提高了建模的效率，增加了模型的擴展性，同時也為建立完善的產品系列圖形數據，便于產品設計管理乃至提供直觀的產品宣傳資源等方面，提供了更多更好的功能選擇。

在系統“數據庫”模塊里，對袋式除塵器的主要部件建了多層參數化3D模型庫，如圖4所示。

袋式除塵器結構設計優化數據庫人機交互與自動化查詢相結合的設置模式方便了設計人員的使用，數據庫中所包括的型材庫、材料性能表、載荷示意圖等交互界面如圖5所示。

在結構CAE模塊中，采用了ANSYS作為技術支撐軟件，主要對袋式除塵器主要結構作機械性能的有限元數值模擬分析。有限元數值模擬分析方法的應用，始于上世紀50年代對飛機結構的動靜態特性分析的連續力學領域，隨后廣泛應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等多領域的連續性問題中。因其對形狀邊界描述具有良好的適應性，復雜機械結構的強度、剛度、穩定性等的性能分析中，普遍得到應用。其關鍵技術包括：模型的建立后的有效簡化、降維處理、對稱與反對稱的利用、復雜結構的構件連接、網格劃分、邊界條件的確定、求解策略等。

系統的CAE模塊將結構按整機、關鍵部件進行分類。采用ANSY S系統提供的APDL編程語言環境，建立模型、劃分網格、設定邊界條件和載荷，進行數值模擬分析。

整機及某些大型復雜部件整體結構的實體模型，計算時將會因為網格數量巨大造成計算機的計算負荷過重，導致計算時間過長甚至死機，如果加大網格尺寸不僅可能使網格劃分失敗，還會使計算精度大大下降乃至失真。對此，系統運用模型降維處理技術——用梁、殼單元替代實體單元，或者采用對稱結構簡化模型和對稱加載等等，使得計算量大大減少而計算精度不受大的影響（圖6）。

圖3 整機基型的參數化3D模型庫

圖4 系統多層參數化3D部件模型庫

圖5 主要部件CAE載荷示意圖庫

圖6 袋式除塵器整機CAE

在此模塊中，關鍵部件模型的設計和CAE分析，其所有參數輸入用兩種方式實現——采用常用數值（界面交互框內的默認值）和用戶交互（在界面交互框中修改默認值），可以極大方便設計人員對袋式除塵器主要部件的設計、分析和對已經設計好的相關結構的分析比較，提高設計效率和水平（圖7）。

一個典型的CAD／CAE優化過程通常需要經過以下的步驟來完成：

（1）參數化建模：利用CAD軟件的參數化建模功能把將要參與優化的DV（優化輸入參數）定義為模型參數，為以后軟件優化修正模型提供可能。

（2）有限元求解：對結構的參數化模型進行加載與求解。

（3）結果后處理：把OBJ（優化輸出參數）提取出來供優化處理器進行優化參數評價。

（4）參數優化：優化處理器根據本次循環提供的優化參數（DV、OBJ）與上次循環提供的優化參數作比較之后，確定該次循環的優化目標是否達到了最優，如果最優，則退出優化循環圈，否則，進行下一步循環計算。

（5）循環計算：根據已完成的優化循環和當前OBJ的狀態修正DV，重新投入循環。

系統模塊選用Ansys Workbench Environment（AWE）作為有限元分析優化環境，它包含建模工具模塊DesignModeler、優化設計工具模塊DesignXplorerVT；另一個DesignSpace模塊可以與其他的CAD軟件如Pro／E等進行無縫雙向參數互動，為CAE融入整個設計過程尤其是前期設計過程提供了技術上的完美保障。

系統設置了袋式除塵器主要部件“快捷優化”和“定制優化”兩種模式，以滿足下列兩類設計優化要求：（1）只輸入環境變量及其少量必要的設計變量的情況；（2）改變預置的各設計條件情況。

以外側板為例，型鋼板框架，加強筋角鋼作方格布置，負壓工況，材質為Q235，以板重值最小為目標函數，以板厚、加強筋截面尺寸為設計變量，以其許用應力、許用變形量為約束條件，對外側板進行了結構優化設計（圖8）。

袋式除塵器優化設計系統為用戶提供了包括CAX／CFX模型、響應云圖、靈敏度以及蛛狀分析等在內的多種優化方法及可視化結果顯示。圖9從不同角度反映了多方案DV及OBJ設計影響，充分展示了協同優化的效果。

基于袋式除塵器結構優化系統，可以實現直接面向產品零部件或整機結構的集成優化。設計實例通過設計參數優化調整、結構輕量化目標設定及優化函數設計，所給出的袋式除塵器整機及關鍵零部件CAX／CFD優化分析模型、響應云圖、優化空間及靈敏度分析等采用設計過程協同及可視化多圖模式給出了參數化結構模型設計過程、優化設計變量確定及優化效果分析方法。

4 小結

圖7 花板CAE

圖8 基于CAX／CFD的外側板定制優化界面

近年來，隨著國內外環保意識及環保管理的增強，袋式除塵器產品在水泥、鋼鐵、煤炭、制藥等領域的需求迅速增長，綠色高效的廣譜效用使其在國民經濟支柱產業中顯示出越來越重大的作用。目前，制約袋式除塵器產品普及應用的瓶頸是缺乏解決產品大型化、多用戶適應性及復雜工況可靠性等綜合設計難題，迫切需要基于標準化和通用化設計平臺及先進穩健設計技術的實用型軟件，通過行業及設計者快捷規范的設計工具，滿足用戶定制化設計要求。

袋式除塵器結構優化設計系統，覆蓋了常用產品的設計參數系列，設計風量為10～200萬m3／h，設計載荷為5000～15000Pa，設計溫度為常溫到高溫（350℃），基板及型材的材質與規格覆蓋了用戶常用范圍。

區別于傳統的袋式除塵器設計方法，系統針對不同的結構模型自動選取型材系列參變量、基板結構參變量、材料性能參變量等為優化變量，通過理想方案的可行性離散處理，確定優化設計約束變量，實現除塵器零部件及整機結構強度、剛度及穩定性的網格計算、分析及協同優化。系統以除塵器的輕量化為優化目標，采用零階及一階優化函數互補，通過多變量及多目標協同流程定制設計計算，實現了袋式除塵器產品結構綜合優化。結果顯示，系統不僅規范、實用、覆蓋范圍大，而且設計快捷穩健，可視化程度高。外側板等關鍵另部件優化效果比傳統方案減重超過20%，整機效果超過10%。

［1］中國環境保護產業協會袋式除塵委員會.我國袋式除塵行業2008年發展綜述，2009，5.

［2］任旭華，陳勝宏.現代工程設計方法［M］.北京：清華大學出版社，2009，6.

［3］紀愛敏.機械CAE分析原理與工程實踐［M］.北京：機械工業出版社，2009，1.

［4］李旗號，張春來，謝峰，劉吉鵬.ANSYS中優化技術CAE中的應用［J］.制造業自動化，第25卷：第9期，2003－91231.

［5］Tapan Sabuwala，Daniel Linzell，Theodor Krauthammer.Finite Element Analysis ofSteel Beam to Column Connections Subjected to Blast Loads，International Journal of IMPact Engineering，2005，Vol.31:pp.861－876

圖9 外側板CAX／CFX協同優化

TQ172.688.3

A

1001－6171（2010）01－0078－05

2009－09－01；編輯：沈穎