脉冲袋式除尘器中箱体支撑体系有限元分析
肖春1 王冠2
（1.中国京冶工程技术有限公司 2.中冶建筑研究总院有限公司）
摘要：脉冲袋式除尘器中箱体内部的支撑体系，为两端受压杆件组成的体系。由于结构不同于一
般的支撑，本文以某实际工程为依托，对其中箱体内部支撑体系进行了有限元分析。分析结果表明，此支撑体系可以采用《钢结构设计规范》中的相关规定进行设计分析。
关键词：脉冲袋式除尘器；中箱体支撑体系；有限元；
环保政策的日益严格，为了控制大气污染，袋式除尘器被更广泛的采用。为了适应不同用户的不同要求，除尘器形式也各种各样，其中一方面反映在除尘器的大型化上。大型化的除尘器能更好的适用于一部分用户，而除尘器的大型化也带来了一些设计上的问题。实际应用中经常出现中箱体在负压作用下被吸扁的案例，因此中箱体的变形和应力控制必须得到重视。
1.概述
随着脉冲袋式除尘器的大型化，中箱体的跨距越来越大，为了控制中箱体的应力和变形，可以采取以下两种方案：
第一种方案是中箱体壁板的抗弯刚度。
如果采用波纹板中箱体，增加波纹板的波深h，可以增加壁板的抗弯刚度。但是中箱体按竖向荷载设计的柱截面往往不会很大，限制了波深h的大小。如果采用平板壁板，增加横梁也可增加中箱体壁板的抗弯刚度，但由于工艺要求，加太大的横梁会妨碍滤袋的布置，因此所加横梁不能过大。经计算加梁后变形依然很大，不能很好的控制中箱体壁板的变形和应力，如图1所示。
第二种方案是采取加内部支撑的方法。若只有一个方向跨度较大，可加单向撑管（图2）；若两个方向跨度都比较大，加双向撑管（图3）。
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =36.906SMX =36.906DEC 8 200723:24:021AREASTYPE NUMAPR 30 200813:59:441AREASTYPE NUMAPR 30 200813:56:39MXZYMNXYZYX4.10112.30220.50428.70536.906yxb 08.20116.40324.60432.806ZXyxb
7900x7000 图1 中箱体壁板加梁 图2 中箱体加单向撑管 图3 中箱体加双向撑管
以下以某工程中箱体内的支撑体系为算例，对支撑体系进行屈曲分析。 中箱体支撑体系屈曲分析
算例采用的支撑体系形式如图3。中箱体尺寸为7400mm×5900×6500mm（长x宽x高），内部设四层十字撑管，撑管采用φ83×4.5圆钢管。本文利用ANSYS对其进行有限元分析。
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2．模型有限元分析 2.1模型建立
模型采用BEAM188单元。Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。本单元支持弹性、蠕变及塑性模型（不考虑横截面子模型）。
2.2约束与荷载施加
在ANSYS采用BEAM188单元对撑管进行稳定分析。约束十字撑管的两个端点的所有自由度，另外两个端点施加单位轴力，并约束除轴力方向自由度外的所有自由度。
2.3模型的屈曲分析
由《钢结构规范》相关条文判断，单层十字撑管一阶屈曲为平面外屈曲（图4）。
单层十字撑管平面外的长细比约为173，为了增强撑管的承载能力，必须减小撑管平面外的计算长度。于是考虑减小十字撑管平面外计算长度的方案。
根据工艺要求，可采取增加竖杆，联系四层十字撑管的方案。在十字撑中心增加一竖杆，经稳定分析仍为平面外失稳。
增加多根竖杆，构成一个支撑体系，如图5所示。对图5所示结构进行特征值屈曲分析。
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1FREQ=182402USUM (AVG)RSYS=0DMX =1SMX =11ELEMENTSMNZMXXYYZX0.222222.444444.666667.888889.111111.333333.555556.7777781ririri wendingfenxi 图4 十字撑管一阶屈曲模态 图5 所采用十字撑管结构体系
取前两阶屈曲模态（图6、图7），可以看出，前两阶屈曲都是平面内屈曲。说明此结构有效的减小了十字撑管的平面外计算长度。
图6 十字撑管结构体系一阶屈曲模态 图7 十字撑管结构体系二阶屈曲模态
11NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1FREQ=312869USUM (AVG)RSYS=0DMX =1SMX =1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =2FREQ=367712USUM (AVG)RSYS=0DMX =1SMX =1MXYZXYZXMXMNMN0.222222.444444.666667.888889.111111.333333.555556.7777781wendingfenxi 0.222222.444444.666667.888889.111111.333333.555556.7777781wendingfenxi 2.4模型的非线性分析
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为了使分析结果更加符合实际，对图5所示的支撑结构体系进行非线性分析。
初始几何缺陷采用一至缺陷模态法，即取结构的一阶屈曲模态作为初始缺陷模态。缺陷最大值取撑管长肢管长度的1/1000，即7.4mm。
材料的屈服准则采用Von Mises屈服准则，强化准则采用双线性随动强化准则。
根据一阶屈曲模态，找出最容易发生变形的点，考察这一点的荷载位移曲线，如下图8所示。 非线性屈曲分析时施加的集中力为280000N，由图8可知支撑结构的屈曲极限承载力为177000N。
图8 十字撑管结构体系荷载位移曲线
支撑结构在屈服临界点时的应力和变形云图如图9和10所示。可以看出，结构屈曲是材料达到屈服强度，结构并没有发生大的变形。从应力云图可以看出，竖杆的应力很小，设计时可以采用比十字撑构件截面小的构件。
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =89TIME=.633802USUM (AVG)RSYS=0DMX =12.046SMX =12.046MXMNYZX 图9 十字撑管结构体系屈服应力云图 图10 十字撑管结构体系变形云图 2.5分析结果与现行规范的比较
十字撑为轴心受压构件，根据《钢结构设计规范》中相关公式：
02.6775.3548.03110.7071.3384.0156.6929.36912.046wendingfenxi N??Af
其中：N——轴心稳定承载力；
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?——轴心受压构件稳定系数；
A——受压构件截面积；
f——构件材料的抗压强度设计值；
撑管按半跨长度计算得稳定承载力为152974N，比ANSYS分析结果稍小。因此可以认为该撑管体系将十字撑管计算长度减半。
最后建立中箱体整体模型，对箱体壁板施加负压力8000Pa，计算结果如图11所示约束支撑点处节点的相应自由度，提取节点反力，得到支撑所受压力最大值为65000N。上文提出的支撑结构体系满足设计要求。
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =9.244SMX =479.712MAY 3 200813:17:50MXYZMNX053.301106.603159.904213.205266.506319.808373.109426.41479.7127400x5900 图11 算例中箱体应力云图
3.结论
⑴本文所提出的中箱体支撑体系可以很好的控制中箱体壁板的变形和应力； ⑵该种支撑体系可按半跨长度进行稳定承载力计算。
参考文献
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