褚 帥，張春光，李上青，張俊峰，安 磊，楊煜兵，劉佳慧

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

0 引 言

空冷島清洗裝置是一種應(yīng)用于發(fā)電廠空冷系統(tǒng)對(duì)空冷凝汽器的清洗設(shè)備，空冷系統(tǒng)的空冷凝汽器多安裝在空冷平臺(tái)上，暴露于大氣中, 受環(huán)境、工況、使用年限等影響染積灰嚴(yán)重,空氣中的粉煤灰、灰塵等, 沉積在空冷凝汽器的翅片管上造成熱阻增大, 換熱能力下降, 真空下降,背壓升高，機(jī)組出力受阻，發(fā)電效益受損[1]。通過理論分析和國(guó)內(nèi)外許多空冷電站調(diào)查發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行維護(hù)中最重要的措施之一就是對(duì)空冷凝汽器表面進(jìn)行清洗。經(jīng)過徹底清洗的空冷凝汽器可以使機(jī)組背壓降低大約8 kPa[2]?？绽鋶u清洗裝置桁架結(jié)構(gòu)作為整個(gè)清洗裝置的支撐部分，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和剛度來維持整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但在實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)人員往往只考慮了桁架結(jié)構(gòu)的可行性方案，造成桁架結(jié)構(gòu)笨重，材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。因此，在桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，還要對(duì)選定的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)約材料，降低成本的目的。筆者以一個(gè)清洗高度為9 m的空冷島清洗裝置桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過Ansys Workbench 對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析和桁架適用梁的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使空冷島清洗裝置在滿足工作條件的同時(shí)為企業(yè)降低成本，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。

1 有限元模型的建立

空冷島清洗裝置上設(shè)有安裝噴嘴的清洗架，可供清洗裝置水平移動(dòng)的水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及可供清洗架上、下移動(dòng)的垂直行走機(jī)構(gòu)。考慮到上述機(jī)構(gòu)部件對(duì)桁架的整體剛度影響有限，建立有限元模型時(shí)將其全部省略，在進(jìn)行靜力分析使以質(zhì)量點(diǎn)的形式作用于桁架結(jié)構(gòu)上?；谝陨蠗l件，在DesignModeler中的三維模型如圖1所示。

圖1 空冷島清洗裝置桁架模型

其中桁架垂直段長(zhǎng)1.134 m，傾斜段長(zhǎng)7.1 m，寬0.7 m。桁架主弦桿采用60×25×3矩管，腹桿為25×25×3方管。底梁采用56×39×39×2的U型型材。材料選用AL6061鋁合金，其密度ρ=2 700 kg/m3，泊松比μ=0.33，彈性模量E=69 000 MPa，屈服強(qiáng)度σs=58 MPa。

對(duì)桁架的有限元網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格生成法，網(wǎng)格單元尺寸(size)設(shè)為30 mm。桁架有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 空冷島清洗裝置桁架的網(wǎng)格劃分

2 空冷島清洗裝置桁架的靜力分析

空冷島為減小風(fēng)沙、柳絮等空中漂浮物對(duì)空冷凝汽器設(shè)備的影響，在空冷島安裝圍欄進(jìn)行阻擋。因此，清洗裝置在實(shí)際工作中，所受風(fēng)載荷很小，本文在靜力分析中不予考慮。在靜力分析中，文中主要通過對(duì)清洗裝置的啟動(dòng)、制動(dòng)工況進(jìn)行靜力分析的確認(rèn)，在最不利的結(jié)果條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1) 清洗裝置結(jié)構(gòu)自重

空冷島清洗裝置桁架上主要安裝水平驅(qū)動(dòng)裝置，垂直驅(qū)動(dòng)裝置及清洗架。各部分自重情況如表1所列。

表1 清洗裝裝置結(jié)構(gòu)自重 /kg

(2) 清洗裝置的工作載荷

清洗裝置的工作載荷在不同工況下，主要包括：①啟動(dòng)工況下的啟動(dòng)加速度；②制動(dòng)工況下的制動(dòng)減速度。為避免啟動(dòng)和制停時(shí)清洗裝置出現(xiàn)大幅度的翩擺而的清洗裝置脫落事故發(fā)生，通過控制系統(tǒng)設(shè)定為勻加速、勻減速運(yùn)行。故，加速度可由下式的得出：

a=(V0-Vt)/t

式中：a為啟動(dòng)加速度(制動(dòng)減速度)；V0為初始速度；取V0=0 m/min；Vt為勻速運(yùn)行速度；取Vt=22 m/min；t為啟動(dòng)時(shí)間(制動(dòng)時(shí)間)；啟動(dòng)時(shí)間t=0.3 s，制停時(shí)間t=0.5 s。

(3) 清洗裝置桁架的約束條件與分析結(jié)果

將桁架視為下端鉸接，上端可移動(dòng)腳支撐的靜定梁進(jìn)行分析。因此，梁下端為全約束條件，上端Y軸固定約束，X、Z方向釋放約束。桁架在啟動(dòng)制造工況下的最大組合應(yīng)力、變位圖如圖3～6所示。

圖3 啟動(dòng)工況-最大組合應(yīng)力

如圖3、圖5所示，桁架在啟動(dòng)、制停工況下的最大組合應(yīng)力應(yīng)力分別為σs1=41 MPa和σs2=38 MPa，最大組合應(yīng)力發(fā)生位置為底梁與主弦桿的焊接處，屬于應(yīng)力集中的問題。文中主要從桁架整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來考慮分析，因此對(duì)局部的應(yīng)力集中問題不予考慮。從整體應(yīng)力云圖綜合來看，桁架主弦桿、腹桿及底梁的最大綜合應(yīng)力σs在15 MPa左右。桁架結(jié)構(gòu)選用材料為AL6061鋁合金材質(zhì)，材料需用應(yīng)力[σs]=58 MPa/1.5=38.6 MPa。既σs<[σs]，桁架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖5 制停工況-最大組合應(yīng)力

如圖4、圖6所示，桁架在啟動(dòng)、制停工況下的最大變位分別為δ1=20.8 mm和δ2=44.5 mm。發(fā)生在桁架上端部，桁架的最大偏擺角度為θ=arctan(44.5/8100)=0.31°，遠(yuǎn)小于實(shí)際工作中桁架允許偏擺角度為1°的要求(許用變位[δ]=141.39 mm)，因此桁架結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

3 空冷島清洗裝置桁架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化模型的建立

桁架主弦桿采用60×25×3矩管，腹桿為25×25×3方管。以桁架的質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，達(dá)到桁架整體減重，降低成本的目的。從目前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果來看，主弦桿及副桿的型材存在較大的優(yōu)化空間。因?yàn)椴牧系拿芏仁且欢ǖ?，所以桁架的總重量與總體積是等效，所以將通過對(duì)型材截面尺寸的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)桁架質(zhì)量?jī)?yōu)化的目的。另外，從靜力分析結(jié)果來確認(rèn)，啟動(dòng)與制停工況下的桁架主弦桿、腹桿的應(yīng)力基本相同，但端部變位在制停時(shí)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)工況，因此以制停工況下的最大組合應(yīng)力σs及變位δ作為輸出參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采用Workbench中的Design Exploration模塊為優(yōu)化工具，及桁架適用型材的截面尺寸作為輸入?yún)?shù)，以最大組合應(yīng)力和最大變位作為輸出參數(shù)，建立優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型。其中，考慮到桁架在實(shí)際制造中型材的適用行問題，腹桿的高、寬尺寸與主弦桿的寬度尺寸相同，腹桿厚度與主弦桿厚度相同。既，優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)為主弦桿立邊高度H(輸入?yún)?shù)P1)，寬度B(輸入?yún)?shù)P2)及厚度T(輸入?yún)?shù)P3)。試驗(yàn)類型為L(zhǎng)atin Hypercube Sampling Design，樣本類型為CCD Samples，得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)優(yōu)化情況如表2所列。

表2 試驗(yàn)點(diǎn)具體參數(shù)值

3.2 響應(yīng)曲面分析

響應(yīng)曲面分析是Design Exploration優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中的一種動(dòng)態(tài)的顯示輸入輸出關(guān)系的分析形式，通過改變輸入?yún)?shù)變量值得到相應(yīng)的輸出參數(shù)變量值。這種分析的優(yōu)勢(shì)在于可以提供各種輸入?yún)?shù)值的精準(zhǔn)定位?；蛘咄ㄟ^固定一種或幾種輸入?yún)?shù)改變另外的一種或幾種輸入?yún)?shù)，觀察這種改變的輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的影響程度，為設(shè)計(jì)提供綜合決策的參考。

從圖7～12的響應(yīng)曲面分析圖來看，輸入?yún)?shù)立邊高度(H)，寬度(B)及厚度(T)均與輸出參數(shù)δ及σs成線性關(guān)系，且H、B、T減小，δ及σs增大。輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的敏感性如圖13所示。

圖7 H、B、δ響應(yīng)曲面分析圖

圖9 H、T、δ響應(yīng)曲面分析圖

圖11 B、T、σs響應(yīng)曲面分析圖

圖13 局部敏感性分析

3.3 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化是一種多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，是從給出的一定量的設(shè)計(jì)點(diǎn)中得出最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。故優(yōu)化的樣本數(shù)量越多，優(yōu)化結(jié)果越精確。文中擬定樣本數(shù)量為1 000，通過目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化后產(chǎn)生3組候選的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，如表3所列。

表3 優(yōu)化解

由表3可以看出，在優(yōu)化解的3組設(shè)計(jì)點(diǎn)中，桁架適用型材的截面尺寸均有所減小，且最大位移滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到最大組合應(yīng)力可能為局部應(yīng)力集中問題導(dǎo)致的超出許用應(yīng)力問題，因此對(duì)3組優(yōu)化解的設(shè)計(jì)值分別插入設(shè)計(jì)確認(rèn)，最終確認(rèn)優(yōu)化解3的設(shè)計(jì)值更為適合主弦桿、腹桿的型材尺寸，將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)果同優(yōu)化前設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，如表4?？梢钥闯鰞?yōu)化后主弦桿、腹桿的最大組合應(yīng)力有所增加，但仍小于材料的許用應(yīng)力，質(zhì)量由原來的68 kg降低為52 kg，降低了24%。可見優(yōu)化計(jì)算后桁架重量明顯降低，材料性能得到充分發(fā)揮。

表4 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用Ansys Workbench對(duì)空冷島清洗裝置桁架進(jìn)行了有限元靜力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對(duì)影響桁架強(qiáng)度、剛度的主弦桿、腹桿的截面尺寸進(jìn)行改進(jìn)，使得桁架整體在滿足系統(tǒng)應(yīng)力、變位的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了桁架的輕量化設(shè)計(jì)，減重24%。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，使用Design Exploration設(shè)計(jì)模塊能夠節(jié)省更多材料，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)也為其他零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種高效、可行的方法。