烟气脱硫吸收塔有限元分析及参数优化研究

摘要

环境保护是我国的基本国策，随着国民经济的发展与国民环保意识的提高，人们对大气质量的要求越来越高，大气环境中的二氧化硫污染是当今人类面临的重大环境问题之一。用煤作为原料的火力发电厂是二氧化硫的主要排放源之一，因此，必须对燃煤火力发电厂烟气进行脱硫。 目前大型火力发电厂的烟气脱硫主要采用湿法(石灰石/石膏法)脱硫工艺，吸收塔是脱硫工艺系统中的最主要构筑物，其结构为大直径薄壁圆筒形壳体钢结构。 对于吸收塔结构的设计，国内外均无专门的规范可依，主要是参照储罐类、塔式容器类规范。现阶段对于吸收塔结构设计中存在的主要问题是：风荷载计算中，结构基本自振周期取值；地震荷载计算中局部的反应，以及局部反应对结构受力的影响；塔壁厚度设计中，壁板的稳定应力。研究解决上述问题的重要方法之一是进行吸收塔结构的动力特性分析。 本文结合海勃湾热电厂脱硫吸收塔工程，利用大型通用软件ANSYS对硫吸收塔结构进行了分析：根据实际的结构尺寸对吸收塔进行有限元建模，进行吸收塔的动力特性分析，掌握吸收塔的动力特性和刚度特性。在自重载荷、积尘载荷、风载荷、地震载荷等作用下进行瞬态响应分析，掌握多载荷作用下吸收塔的结构响应以及结构受力性能的影响。利用ANSYS优化设计模块对吸收塔进行质量优化，提出对工程设计的改进建议，以满足实际工程的需要。 本文对吸收塔进行动态分析中的模态分析，从而得到吸收塔的前十阶固有频率，并在此基础上扩展得到了吸收塔前十阶振型，找出了结构刚度的薄弱部位；掌握吸收塔随载荷变化的应力、应变分布情况，以及各个载荷对结构的影响；建立了吸收塔的结构优化模型，并对结构在复杂载荷作用下进行了优化。 通过以上的分析，为吸收塔的结构设计提供了有效的依据，并对结构的设计有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1脱硫技术的国内外发展现状

1.2国内外研究现状

1.3有限元分析法

1.3.1有限单元法的基本理论

1.3.2弹性力学的基本假设

1.4有限单元法的发展应用

1.5与本课题相关技术的研究现状

1.5.1国内外有限元技术研究现状

1.5.2国内发展情况和前景

1.5.3优化技术发展

1.6本课题研究内容

第2章ANSYS软件及APDL简介

2.1 ANSYS软件的功能和优化模块

2.2 ANSYS软件优化涉及的基本概念

2.3 ANSYS软件的优化步骤

2.4 ANSYS参数化分析功能

2.4.1 APDL语言介绍

2.4.2 APDL的基本组成

2.4.3用户可编程特性(UPFS)

2.5本章小结

第3章结构动力响应的基本理论

3.1结构动力分析概述

3.1.1机械振动的分类

3.2地震波的概述

3.3结构动力平衡方程

3.4动力分析求解方法

3.5结构的自振特性理论

3.6模态分析介绍

3.7本章小结

第4章吸收塔结构动力学模态分析研究

4.1模态分析的简介及必要性

4.2吸收塔结构有限元模态分析的基本步骤

4.3吸收塔结构有限元模型的建立

4.4有限元单元类型的选取

4.5 ANSYS模型的网格化分和约束

4.5.1模型网格划分

4.5.2模型的约束

4.6吸收塔结构的模态分析

4.7吸收塔模态分析

4.7.1模态分析

4.7.2吸收塔结构的固有频率及振型图

4.8吸收塔的模态分析结果

4.9本章小结

第5章吸收塔结构的瞬态分析

5.1瞬态动力学分析的步骤

5.1.1建立参数化有限元模型的原则

5.1.2瞬态分析方法

5.2荷载组合原则

5.3吸收塔结构的荷载计算

5.3.1吸收塔载荷

5.4吸收塔的动态特性以及对地震、风载研究

5.4.1风速风压关系公式

5.4.2结构断面的流体动力学参数化有限元模型的建立

5.4.3预应力时的瞬态动力学分析

5.5地震力的计算

5.5.1水平地震力的计算

5.5.2垂直地震力的计算

5.5.3地震波输入

5.5.4时程结果及分析

5.6本章小结

第6章结构优化设计的数学模型及分析

6.1基本概念

6.2截面优化理论及简介

6.2.1设计变量

6.2.2约束条件

6.2.3目标函数

6.3优化方法介绍

6.4吸收塔结构优化的数学模型

6.4.1力约束处理

6.4.2优化设计的数学描述

6.5吸收塔的数学模型

6.6 APDL语言二次开发的ANSYS建模及优化的实现

6.7吸收塔结构的优化分析

6.7.1载荷工况组合

6.7.2基于ANSYS优化模块具体优化设计步骤

6.7.3优化结果

6.8优化设计部分命令流

6.9本章小结

第7章结论和展望

7.1结论

7.2课题展望

参考文献

致谢