摘 要：随着国家对环保的重视，用于电力、建筑、设备制造等工业领域的电除尘器得到了广泛应用，灰斗是电除尘器用于储灰的重要部件，对力学性能有很高的要求，根据《电除尘器钢结构规范》中关于灰斗斜壁板上的荷载计算方法，基于 inspire 软件，利用加载自定义压力的方法对某一型号的电除尘器灰斗进行了有限元分析。通过分析，明确了灰斗满载情况下的应力分布及变形情况，并利用拓扑优化方法对灰斗结构进行轻量化分析，提出了灰斗结构的优化方案。

关键词：灰斗；有限元分析；用户自定义荷载；结构优化

0 引言 

电除尘器作为一种环保设备在烟气净化除尘方面发挥着重要作用电除尘器的灰斗主要用于临时储存收集到的粉尘，传统的灰斗的形状主要为四棱锥台形，由4个壁板、角钢工型钢管撑等组成。电除尘器灰斗作为电除尘器的主要受力部件，长时间承受载荷，如果没有足够的强度很容易发生变形、撕裂甚至灰斗掉落等事故，造成大量的经济损失甚至人员伤亡因此合理的设计灰斗结构，精确的计算出灰斗的承载能力显得非常重要。薛慧中等利用LS-DYNA自定义荷载子程序对除尘器灰斗在满载情况下的应力分布及变形模式进行了分析，发现了灰斗的应力集中部位，以及肋梁加密对灰斗变形的影响王仕能等用SAP2000软件对灰斗的容积、变形量及应力进行了研究，确定了除尘器灰斗与飞灰库合并方案的可行性。张玉峰等用ANSYS软件对双漏斗形钢煤斗进行结构分析，并通过模型修改和反复试算确定了煤斗合理的结构设计方案余少乐，杨应华采用数值分析方法研究了厚度和筋肋形，式及截面对钢煤斗受力性能的影响，发现增加筋肋的截面高度比增加截面宽度更有利于提高煤斗的力学性能以上研究都以不同的方法研究了不同结构灰斗的受力情况，但是以上研究灰斗都没有涉及到灰斗壁板的结构优化，本研究严格依据JB/T12127201S《电除尘器钢结构设计规范》对灰斗板施加法向压力及切向力，作为灰斗载荷的边界条件，研究灰斗满载情况下的应力分布、最大应力及变形情况，并通过拓扑优化，提出了灰斗结构的轻量化方案。

01 灰斗的结构

灰斗通常情况下由Q235钢板、L型钢、槽钢焊接而成，灰斗的形状为角锥形如图1所示为当前电除尘器灰斗所采用的结构模型，当前结构主要运用型钢和槽钢来加强结构的承受能力。从图1中可以看出灰斗壁上用来加强的角钢，他们的布置间隔距离几乎是均匀的，并没有根据壁板不同部位的受力情况进行个性化布置这样就会导致灰斗结构某些地方的材料安全系数很小，而有些地方安全系数非常大 为了充分利用材料，降低整个灰斗质量，降低灰斗的制造成本，在本研究中通过使用拓扑优化的方法，来确定壁板最合适的材料分布，进而优化灰斗的结构。

02 灰斗结构优化分析

2.1 有限元模型

灰斗的尺寸通常情况下比较大，计算量也很大，为了提高模拟效率，减小计算量，本研究在原模型的基础上，对灰斗进行了缩小，缩小后灰斗的主要尺寸参数如下所示：两组斜壁与水平面的夹角分别为61。和66e；上口尺寸为80mm×64mm；下口尺寸为4mm×4mm。模型的材料全部选用abs，板厚度为6mm。

2.2 载荷施加

灰斗载荷的施加主要依据《电除尘器钢结构设计规范》，按照灰斗满载的情况下，将灰斗受到的力分为垂直于斜面向下和沿着切线向下两个力沿着斜壁板法向单位面积力随着空间位置的变化如下所示：

pn=rh[cos（2b）+ksin（2b）

k=tan2（45。-9I2）

式中：pn为计算截面处灰斗斜壁板法向压力；r为灰尘重度；h为计算深度处灰尘厚度；b为斜壁与水平面的夹角；k为侧压力系数；I为灰尘的内摩擦角。

对称布置的角锥形灰斗壁，在储灰载荷、灰斗自重作用下，产生的随着空间位置变化，任一水平截面单位宽度的斜向力N、N2如下所示： N=Gsinb/[2（ah+b）
  N2=Gsinb2/（ah+b）

式中：

为截面以下灰斗壁所承受的全部竖向载荷，包括图2中阴影部分储灰重、截面以下的灰斗结构及附设在其上的设备重；

h、bh分别为截面处灰斗壁的宽度；b、b2分别为角锥形灰斗壁A、B与水平面的夹角 根据以上载荷的计算方法，可以计算出当灰斗装满灰时，灰斗壁不同位置随灰斗深度变化的单位面积力，为了提高分析速率，明确灰斗壁满载下不同部位受力情况，本研究中灰斗的材料全部选用abs，灰斗壁所承受的载荷整体放大20倍，在灰斗壁的顶部，施加固定约束，利用Altair
inspire软件进行灰斗的力学分析。

2.3 灰斗初始状态数值分析结果

根据以上载荷的计算方法及灰斗的尺寸参数计算出灰斗壁所承受的压力，对灰斗模型壁板的4个斜面分别施加计算后的非均匀压力，并在灰斗的顶部施加固定约束，对灰斗进行分析计算。

灰斗壁的应力主要集中在灰斗壁的中间及上边部位，灰斗壁的最大应力为8.2Mpa。

从灰斗壁的位移分布图中可以看出，灰斗壁在灰斗作用下其位移由上到下逐渐增加 其位移的最大值为0.15mm。

2.4 灰斗壁结构优化分析

为了减轻灰斗整体质量，研究灰斗壁内外部的最优结构，降低灰斗生产加工的能耗和成本，对灰斗壁板的结构进行优化。本研究采用6mm的壁板进行研究，其中内外两层2mm做为设计空间，进行壁板结构的优化。

本研究使用拓扑优化方法获得壁板最合适的材料分布，轻量化的质量目标设置为25%，利用最大化刚度法，对设计空间进行优化。并对优化后的模型进行几何构。

为增强灰斗壁板的承载性能，在灰斗的内部，需要重点在壁板的4个棱边中间部位进行加强，以及两个较长壁板的顶部中间部位进行加强；而在壁板的外部主要是需要在壁板的中间偏上部位需要加强。

灰斗结构进行几何重构后，根据灰斗的受力情况，对于优化后的模型施加固定约束及载荷进行再次分析计算。

优化后灰斗的最大应力为37.5Mpa，小于ABS材料的屈服应力45Mpa。优化后灰斗的最大位移为0.29mm，同样满足使用情况。优化前灰斗的质量为88g，优化后灰斗质量为42g，材料比原来减轻了52%。

03 灰斗的结构优化方案 

根据以上灰斗的结构优化分析结果，首先可以通过焊接筋板等方法，加大灰斗内部棱边处的强度。

此外，针对壁板本身，可以采用以下方案来进行优化，第一种优化方案，在当前如图1所示的灰斗中，壁板是采用均匀分布的L型钢、槽钢进行加强，根据图6优化后的模型可知，采用钢板代替。

型钢或槽钢焊接在壁板上相应部位进行加强；第二种优化方案，根据灰斗的结构优化分析结果，对当前如图1所示的灰斗的L型钢、槽钢布置进行优化，如图6所示对壁板需要加厚的部位可以加大型钢或槽钢的布置密度，与之相反其他部位相应减少布置密度，做到这些加强筋的合理分布。

04 结论

本文利用Altair inspire软件对典型灰斗结构进行了有限元分析，及结构优化 通过分析，明确了灰斗在满载作用下的应力、位移分布情况。并通过使用软件拓扑优化的方法，确定了灰斗在满载作用下最合理的材料分布，为灰斗的结构优化提供了解决方案，整个分析过程可以得出如下结论：

1）利用《电除尘器钢结构设计规范》，正确计算并模拟灰斗的载荷。 

2)灰斗内部4条棱边处受力较大，可以通过焊接加强筋板等方法进行局部加强。

3）在灰斗壁板上可以通过局部焊接薄板的方法来进行加强。

4)灰斗壁板上，可以通过局部布置和加密肋梁来更加合理地利用材料。

关于本文：

文章来源于平顶山职业技术学院

作者：纪帅，李贵胜，张红岩