基于有限元分析的污泥干化圓盤結構優(yōu)化設計說明書.zip,基于,有限元分析,污泥,圓盤,結構,優(yōu)化,設計,說明書 題目名稱 基于有限元分析的污泥干化圓盤結構優(yōu)化設計 題目來源 國家、省（部）級 市、校級 企業(yè)（公司 ） R其他 題目類型 工程設計 R應用研究 基礎研究 其他 一、畢業(yè)設計（論文）概述 隨著干化技術的發(fā)展，圓盤技術開始成熟并應用到含油污泥處理。與帶式干化、回轉式干化、薄層干化、流化床及太陽能干化技術相比，圓盤干化具有占地小、效率高設備轉速低、壽命長、間接換熱、含水率可調，且系統(tǒng)簡單便于管理和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。 圓盤葉片作為臥式圓盤干化機中的重要干燥元件，其結構和性能對圓盤干化機最終的干化效果起著至關重要的作用。因此，對圓盤結構的優(yōu)化工作是十分重要的。 本課題旨在利用有限元軟件ABAQUS對某企業(yè)KJG-100型污泥干化機中單個圓盤整體進行結構優(yōu)化設計，以達到優(yōu)化圓盤干燥機工作性能，改善其原有不足，提高圓盤干燥機效能以及企業(yè)市場競爭力的目的。 在研究過程中，利用有限元分析軟件ABAQUS，對單個圓盤整體進行建模分析。通過對比圓盤結構在不同圓盤外周焊縫結構情況下數值模擬出的應力應變分布情況，確定圓盤外周焊縫的最優(yōu)形式；通過對比圓盤結構在有無加強筋情況下的應力應變分布情況，確定圓盤內部結構，從而進一步通過多因素多水平正交實驗，以應力應變情況為實驗指標，確定圓盤內部加強筋的分布情況，包括對加強筋的位置，長度，厚度及個數的布置情況，最終達到優(yōu)化圓盤結構，進而優(yōu)化圓盤干燥機處理效果的目的。 通過研究文獻資料與討論，確定課題研究方案如下： （1）利用有限元分析軟件ABAQUS，根據已給出的工況條件和要求尺寸等對單個圓盤整體進行建模，并進行相關參數設置（包括各部件材料屬性、邊界條件、載荷情況等的確定）。 （2）利用多因素多水平正交實驗，綜合本課題的優(yōu)化內容，制成四因素三水平正交實驗表，并對表中各實驗對象進行有限元建模及數值模擬，提取后處理數據，通過極差分析，得出關于加強筋布置情況的最優(yōu)因素組合。 （3）針對不同圓盤外周焊縫情況進行建模分析，通過分析各種焊縫結構的應力應變分布情況，得出最優(yōu)的圓盤外周焊縫結構。 （4）考慮實際工況，在建模過程中加入溫度載荷，討論分析溫度場對圓盤結構數值模擬過程的影響。 此研究方案利用多因素多水平正交實驗和有限元法相結合，具有一定的科學性。 首先，正交實驗設計的基本程序包括實驗方案設計及實驗結果分析兩部分，用部分實驗代替全面實驗，通過對部分實驗結果的分析，能夠了解全面實驗的情況，從而找出最優(yōu)的水平組合。正交實驗中根據正交性從全面實驗中挑選出具有代表性的點進行研究，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。 其次，利用ABAQUS軟件對圓盤結構進行建模和分析，針對所需要確定的加強板尺寸、數量和位置等問題，通過對比不同正交實驗組的應力分布和變形量等實驗指標，最終能夠得出污泥干化機圓盤的最佳結構。 二、畢業(yè)設計（論文）整體安排及進度 1. 整體安排 2017-2018-1學期： 17-19周：課題介紹、熟悉課題、查閱文獻、翻譯外文資料、撰寫文獻 綜述。 2017-2018-2學期： 1-2周：數值模擬實驗方案的確定。 3-4周：利用有限元軟件（ABAQUS）開展（多因素多水平）實驗組的 數值計算。 5-6周：數值模擬計算結果后處理。 7-8周：數據分析、編寫畢業(yè)論文提綱。 9周：畢業(yè)實習。 10-11周：數據分析，編寫畢業(yè)論文。 12-13周：匯編畢業(yè)論文，整理畢業(yè)答辯材料，提交全部畢業(yè)論文材料。 14周：畢業(yè)論文材料查重及修改。 15-16周：完成答辯，并對答辯材料做最后完善。 2. 進度情況 畢業(yè)論文進行到中期，前期已完成包括文獻綜述和外文翻譯在內的前期材料的編寫，并利用有限元軟件（ABAQUS）對單個圓盤結構整體進行建模和數值模擬，確定數值模擬實驗方案按照四因素三水平正交實驗進行。目前已完成所有正交實驗涉及實驗組的數值模擬以及其結果后處理，同時，完成了畢業(yè)論文提綱的編寫確定工作?；灸軌虬凑照w進度安排進行。 三、畢業(yè)設計（論文）已完成的研究部分 畢業(yè)論文進行到中期，已經完成的工作包括前期材料的編寫和針對污泥干化機中單個圓盤整體結構數值模擬。已完成工作具體展開如下： 1. 前期工作 完成包括文獻綜述和外文翻譯在內的前期材料的編寫工作。 學習課題相關有限元分析軟件ABAQUS，為針對圓盤結構的建模和分析奠定基礎。 2. 針對圓盤結構的數值模擬 2.1 模型建立 圓盤干燥機在運行過程中，蒸汽從中部直徑較小的蒸汽管道進入到圓盤結構中，與圓盤充分接觸后，從直徑較大的管道排出。根據初步模型，在ABAQUS中建立單個圓盤整體模型（如圖1-2）。 圖1 無加強筋時的圓盤結構 圖2 有加強筋時的圓盤結構 根據實際工況，確定該模型的邊界條件（如圖3）為固定內外蒸汽管道y，z方向的位移及旋轉，即U2=0，U3=0，UR2=0，UR3=0。對模型施加的機械載荷為與蒸汽接觸部分均受0.6MPa的蒸汽壓力。 圖3 邊界條件 2.2 數值模擬結果 2.2.1 無加強筋圓盤結構數值模擬結果 圓盤結構在沒有加強筋時所受應力情況如圖4，由數值模擬結果可知，在無加強筋時，最大應力在圓盤和外部蒸汽軸連接的環(huán)焊縫處，上下兩圓盤連接的環(huán)焊縫處也受較大應力。 圖4 圓盤結構應力分布（無加強筋） 圓盤結構在沒有加強筋時變形情況如圖5，由數值模擬結果可知，在無加強筋時，最大變形量連續(xù)分布于兩側圓盤中部。 圖5 圓盤結構變形量（無加強筋） 2.2.2 有加強筋圓盤結構數值模擬結果 圓盤結構在有加強筋時，所受應力情況如圖6，由數值模擬結果可知，在有加強筋時，最大應力在加強筋和和上下圓盤連接焊縫端部，且分布面積較小，上下圓盤連接環(huán)焊縫以及圓盤和蒸汽軸連接環(huán)焊縫等較為脆弱的部分所受應力較小。 圖6 圓盤結構應力分布（含加強筋） 圓盤結構在有加強筋時，變形量如圖7，由數值模擬結果可知，在有加強筋時，變形量最大位置雖仍處于兩側圓盤中部，但較為分散，并未出現(xiàn)大面積集中劇烈形變，變形量分布更為合理。 圖7 圓盤結構變形量（含加強筋） 2.3 正交實驗 考慮到本課題針對圓盤結構內加強筋的優(yōu)化包括對其長度，厚度，位置及個數等四個方面的優(yōu)化，采用四因素三水平正交實驗能夠較為高效的解決這類問題。進行正交實驗的因素水平表見表1，實驗方案表見表2。 表1 圓盤結構加強筋優(yōu)化實驗因素水平表 水平 實驗因素 長度/mm 厚度/mm 內端直徑/mm 個數 1 80 6 400 6 2 100 8 450 8 3 120 10 500 10 表2 圓盤結構加強筋優(yōu)化實驗方案 實驗號 因素 長度/mm 厚度/mm 內端直徑/mm 個數 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 根據所列正交實驗表，建立并模擬出表中各實驗號對應的模型，為后續(xù)優(yōu)化方案的確定奠定基礎。 四、下一部分的工作安排 1. 用極差分析法，采用不同考察指標，對正交實驗進行結果分析，進而通過對比各因素的主次地位，確定圓盤加強筋結構的最終優(yōu)化方案。 2. 在完成加強筋結構優(yōu)化之后，對確定的含加強筋圓盤結構進行焊縫優(yōu)化。 3. 分析溫度載荷對圓盤結構數值模擬的影響。 4. 綜合分析數據，完成畢業(yè)論文的編寫。 五、畢業(yè)設計（論文）工作中存在的問題 1. 前期建模過程中，不能熟練掌握有限元軟件ABAQUS的使用方法，在建模過程中浪費了許多時間。 2. 一開始并不明確含加強筋圓盤結構的優(yōu)化方法，在老師指導下最終確定圓盤結構優(yōu)化方案。 3. 圓盤結構的優(yōu)化過程層層遞進，軟件模擬分析耗費較長時間，后期需要在分析數據的基礎上再進行部分結構優(yōu)化，可能會產生時間較為緊張的情況。 學生（簽字）顧宇彤2018年4月27日 指導教師（簽字） 年 月 日 中期檢查表 學院 XX 專業(yè) XX 班級 XX 姓名 顧宇彤 學號 14403101 指導教師 諸士春 指導教師職稱 題目名稱 基于有限元分析的污泥干化圓盤結構優(yōu)化設計 題目來源 □國家、省（部）級 □市、校級 √企業(yè)（公司 ） □其他 題目類型 □工程設計 √應用研究 □基礎研究 其他 是否進駐實驗室 □是 √否 實驗室名稱 實驗室地點 資料 情況 1、選題是否有變化□有 √否 2、任務書 √有 □否 3、中期報告 √有 □否 4、開題報告/文獻綜述、外文翻譯 √完成 □未完成 工作進度預測（按照任務書中時間計劃） □ 提前完成 □ 按計劃完成 √ 拖后完成 □ 無法完成 工作態(tài)度（學生對畢業(yè)設計（論文）的認真程度、紀律及出勤情況） □ 認真 √ 較認真 □ 一般 □ 不認真 質量評價（學生前期已完成的工作的質量情況） □ 優(yōu) √ 良 □ 中 □ 差 建議檢查結果： √ 通過 □ 限期整改 □ 緩答辯 存在的問題與建議： 進度落后于計劃安排，請抓緊時間。 指導教師（簽名）XX 2018 年5 月 2 日 系（教研室）意見： 同意指導教師的意見！ 簽名張琳 2018 年 5 月 3 日 注：1、該表由指導教師填寫。 2、此表作為附件裝入畢業(yè)設計（論文）資料袋存檔。 任務書 XX 學院 XX 專業(yè) XX班 XX 同學： 現(xiàn)給你下達畢業(yè)設計（論文）任務如下，要求你在預定時間內，完成此項任務。 一、畢業(yè)設計（論文）題目 基于有限元分析的污泥干化圓盤結構優(yōu)化設計 二、畢業(yè)設計（論文）依據及參數 污泥是一種量大面廣且對人體和環(huán)境都具有很大危害作用的固體廢棄物，廣泛來源于市政污水、工業(yè)污水、水體疏浚等污水處理過程。目前污泥的處置方法主要為填埋、農用和焚燒，其中干化結合焚燒的污泥處理處置技術已被公認為能最大限度地實現(xiàn)污泥的減量化和資源化。住房和城鄉(xiāng)建設部、環(huán)境保護部、科學技術部聯(lián)合出臺的污泥處理處置政策文件中提到“污泥干化焚燒是今后我國提倡的方向，尤其是采用有焚燒后余熱干燥污泥體現(xiàn)了節(jié)能減排，循環(huán)經濟的思想。對于經濟比較發(fā)達，土地資源比較緊張的大城市，使用焚燒法處置應該是經濟有效的”。 目前國內煉油廠產生的含油污泥，是以含油、有機物、硫化物、多重催化劑、烴類物質等、泥、水混合的固廢，其體積巨大，據不完全統(tǒng)計我國石油化工每年產生上百萬噸，其成份復雜，處理難度大，處理成本高的問題是目前一個普遍現(xiàn)象，如果不對其進行無害化處理，又會產生二次污染，影響生產區(qū)域及周邊環(huán)境。同時含油污泥在《國家危險廢物名錄》中，明確屬于礦物油（HW08 類）。隨著企業(yè)環(huán)保意識與國家對泥水共治要求的提高，“土十條”的發(fā)布，原有的壓濾或離心脫水到80%含水率已經無法滿足環(huán)保要求。 隨著干化技術的發(fā)展，圓盤技術開始成熟并應用到含油污泥處理。與帶式干化、回轉式干化、薄層干化、流化床及太陽能干化技術相比，圓盤干化具有占地小、效率高設備轉速低、壽命長、間接換熱、含水率可調，且系統(tǒng)簡單便于管理和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。 本課題要求利用有限元軟件對某企業(yè)KJG-100型污泥干化機真空圓盤進行結構優(yōu)化設計，優(yōu)化內容包括： （1）圓盤左右盤面的焊接結構形式； （2）圓盤壁厚； （3）隔板與加強板的尺寸、數量與位置。 三、畢業(yè)設計（論文）目標及內容 1. 了解污泥干化處理工藝，熟悉真空圓盤干化工作原理。 2. 掌握有限元軟件的使用，并利用有限元軟件對真空圓盤進行結構優(yōu)化設計。 3. 熟練運用后處理軟件對有限元計算結果進行數據分析。 4. 熟練運用辦公軟件（WORD）完成畢業(yè)論文。 5. 掌握文獻檢索方法，熟悉相關行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，了解干化設備設計標準和規(guī)范等。 四、課題所涉及主要參考資料 [1] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB150.1~150.4-2011壓力容器[S]. 北京：中國標準出版社，2012. [2] 齊威. ABAQUS 6.14超級學習手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2016. [3] 薛玲麗. 污泥脫水及干燥研究[D]. 浙江大學，2012. [4] 李博. 污泥高效干化方法及干化焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化運行研究[D]. 浙江大學，2014. [5] 錢煒. 污泥干化特性及焚燒處理研究[D]. 華南理工大學，2014. [6] 郝丹. 污泥干化技術的研究與應用[D]. 東北石油大學，2015. [7] 孫明華. 城市污泥“兩段式”干化及協(xié)同焚燒研究[D]. 清華大學，2015. 五、進度安排 學期 周次 工作內容 檢查方式 2017-2018-1 17-19 課題介紹、熟悉課題、查閱文獻、翻譯外文資料、撰寫文獻綜述。 網上提交外文翻譯及文獻綜述電子稿（按學校規(guī)范要求排版）。 2017-2018-2 1-2 數值模擬實驗方案的確定。 提交實驗方案計劃樣稿。 3-4 利用有限元軟件開展（多因素多水平）實驗組的數值計算。 口頭匯報數值計算過程與結果；計算機展示數值計算進度。 5-6 數值模擬計算結果后處理。 口頭匯報計算結果后處理進展，提交數值模擬計算結果。 7-8 數據分析、編寫畢業(yè)論文提綱。 提交畢業(yè)論文提綱樣稿。 9 畢業(yè)實習。 提交畢業(yè)實習報告。 10-11 數據分析、編寫畢業(yè)論文。 按章節(jié)提交畢業(yè)論文。 12-13 匯編畢業(yè)論文，整理畢業(yè)答辯材料，提交全部畢業(yè)論文材料。 按學校要求提交全部畢業(yè)論文相關材料。 14 畢業(yè)論文材料查重及修改。 提交查重結果。 15-16 完成答辯，并對答辯材料做最后完善。 按學校要求提供相關畢業(yè)所需材料。 六、畢業(yè)設計（論文）時間 2017 年 12 月 25 日 ~ 2018 年 6 月 18 日 七、本畢業(yè)設計（論文）必須完成的內容 1. 調查研究、查閱文獻和搜集資料。 2. 閱讀和翻譯與課題內容有關的外文資料（外文翻譯不能少于2萬印刷字符，約合5000漢字）。 3. 撰寫文獻綜述，確定數值模擬實驗方案。 4. 完成多因素多水平的數值模擬分析與計算結果后處理。 5. 撰寫畢業(yè)論文。 八、備注 本任務書一式三份，學院、教師、學生各執(zhí)一份。 XX 系（教研室） 指導教師 XX 系（教研室）主任 XX 主管院長 XX 基于有限元分析的污泥干化圓盤結構優(yōu)化設計 摘 要：本文主要利用有限元法從針對污泥干化圓盤的數值模擬入手，對比有無加強筋圓盤結構受壓后的應力及變形量情況，分析溫度場對圓盤數值分析的影響，并嘗試通過改變圓盤外端的焊接形式從而優(yōu)化圓盤結構的受力情況，得到的研究結果如下： （1）在KJG-100污泥干化圓盤內部加入加強筋結構以后，圓盤受壓后產生的最大應力及變形量明顯減小。同時，最大應力的分布區(qū)域從圓盤與熱軸的連接焊縫處轉移至圓盤中部與加強筋間接處，改善了主要焊縫處的受力情況；最大變形量的分布區(qū)域稍有外移，且其影響范圍減小且不連續(xù)。 （2）利用正交實驗對KJG-100污泥干化圓盤的加強筋結構進行優(yōu)化，得到其最優(yōu)結構為長度為120mm，厚度為6mm，內端直徑為500mm，分布個數為10個。無加強筋圓盤結構受壓后產生的最大應力為214.1MPa，最大變形量為0.3788mm。在圓盤中設置最優(yōu)結構的加強筋以后，其受壓后產生的最大應力為171.7MPa，比無加強筋圓盤結構減小了19.8%；最大變形量為0.162mm，比無加強筋圓盤結構減小了57.2%。 （3）在數值模擬過程中加入溫度場以后，圓盤產生的最大應力為186.1MPa，較未加溫度場而言增加了8.04%，出現(xiàn)位置在加強筋外端與圓盤內壁面的連接焊縫處；最大變形量為1.673mm，大約是未加溫度場圓盤的8倍，出現(xiàn)位置在圓盤外端焊縫處。因此，實際工況中，圓盤在徑向上的膨脹主要是由溫度變化引起的，在周向上的鼓脹主要是由飽和蒸汽內壓引起的。 （4）將KJG-100圓盤原本的對稱結構改為由大盤和小盤形成的非對稱結構以優(yōu)化圓盤外端連接焊縫的形式。在改進圓盤焊接形式以后，圓盤結構受到的最大應力為147.3MPa，較對稱圓盤結構而言，減小了14%，位于加強筋頂部和小盤的連接焊縫處，圓盤產生的最大變形量為0.158mm，與對稱圓盤結構相比，減小了2.5%，位于小盤上的兩加強筋外端和圓盤外端的中部位置。因此，采用非對稱圓盤結構能夠有效改善圓盤結構的應力及變形情況。 關鍵詞：污泥干化；圓盤；有限元；結構優(yōu)化  Structural Optimization of Design of Sludge Drying Disk Based on Finite Element Analysis Abstract：This paper mainly uses the finite element method to start from the numerical simulation of sludge drying discs,compares the stress and deformation of the reinforced disc structure under pressure,analyzes the influence of the temperature field on the numerical analysis of the disc,and tries to optimize the force of the disc structure by changing the welding form of the outer end of the disc,the research results obtained are as follows: (1)After the rib structure was added to the interior of the KJG-100 sludge drying disc,the maximum stress and deformation generated after the disc was compressed was significantly reduced.At the same time,the distribution area of ??the maximum stress was transferred from the joint weld between the disc and the hot shaft to the middle of the disc and the indirect ribs,which improved the stress at the main weld;the distribution of the maximum deformation was slightly shifted outward,and its influence is reduced and discontinuous. (2)Using the orthogonal experiment to optimize the rib structure of the KJG-100 sludge drying disc,the optimal structure is 120mm in length,6mm in thickness,500mm in inner diameter,and the number of distribution is 10.The maximum stress generated after the non-reinforced disk structure was compressed was 214.1MPa,and the maximum deformation was 0.3788mm.After setting the optimal structure of the ribs in the disk, the maximum stress generated after the compression is 171.7MPa,which is 19.8% less than the ribless disk structure;the maximum deformation is 0.162mm,which is better than the ribs without reinforcement.The disk structure is reduced by 57.2%. (3)After the temperature field was added during the numerical simulation, the maximum stress generated by the disk was 186.1MPa,an increase of 8.04% compared to the unheated field,and the connection occurred between the outer end of the rib and the inner wall of the disk.The seam,the maximum deformation of 1.673mm,is about 8 times the temperature of the disk is not added,appears in the outer end of the disc at the weld.Therefore,in practical conditions,the radial expansion of the disk is mainly caused by the temperature change,and the bulging in the circumferential direction is mainly caused by the saturated steam internal pressure. (4)The original symmetry structure of the KJG-100 disk was changed to an asymmetrical structure formed by a large plate and a small plate to optimize the form of connecting the outer ends of the welding discs.After improving the welding mode of the disc,the maximum stress of the disc structure was 147.3MPa,which was 14% less than that of the symmetrical disc structure.It was located at the top of the rib and the connecting weld of the small disc.The maximum deformation is 0.158mm,which is reduced by 2.5% compared with the symmetrical disk structure,and is located at the outer end of the two stiffeners on the small disk and the middle position of the outer end of the disk.Therefore,the use of asymmetric disc structure can effectively improve the stress and deformation of the disc structure. Key words：Sludge drying; Disc;Finite element;Structural optimization 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 污泥干化工藝現(xiàn)狀 2 1.2.1 傳統(tǒng)污泥干化工藝 2 1.2.2 電能污泥干化工藝 3 1.2.3 太陽能污泥干化工藝 3 1.3 污泥干化技術與設備簡介 4 1.3.1 離心污泥干化技術 4 1.3.2 流化床污泥干燥技術 4 1.3.3 直接加熱轉鼓干化技術 5 1.3.4 間接式多盤干燥技術 5 1.4 本課題研究目的及主要內容 5 2 圓盤結構設計 7 2.1 引言 7 2.2 傳統(tǒng)圓盤結構 7 2.3 本課題研究圓盤結構 8 2.4 小結 9 3加強筋結構對圓盤應力與變形的影響 10 3.1 引言 10 3.2 有限元模型的建立 10 3.2.1 傳統(tǒng)干化圓盤的幾何結構 10 3.2.2 改進后干化圓盤的幾何結構 10 3.2.3 材料屬性 11 3.2.4 模型分析步的確定 11 3.2.5 載荷及邊界條件 11 3.2.6 網格劃分 12 3.3 計算結果與討論 13 3.3.1 加強筋結構對圓盤應力的影響 13 3.3.2 加強筋結構對圓盤變形量的影響 16 3.4 小結 20 4 圓盤加強筋結構的優(yōu)化 21 4.1 引言 21 4.2 有限元模型的建立 21 4.2.1 實驗方案的確定 21 4.2.2 模型的建立 23 4. 3 計算結果與討論 24 4.3.1加強筋結構尺寸對圓盤應力的影響 24 4.3.2 加強筋結構尺寸對圓盤變形量的影響 26 4.3.3 優(yōu)化方案的確定 27 4.4 小結 30 5 溫度場對圓盤應力與變形的影響 32 5.1 引言 32 5.2 有限元模型的建立 32 5.2.1 干化圓盤的幾何模型 32 5.2.2 材料屬性 32 5.2.3 模型分析步的確定 32 5.2.4 載荷及邊界條件 33 5.2.5 網格劃分 33 5.3 計算結果與討論 33 5.3.1 溫度場對圓盤應力的影響 33 5.3.2 溫度場對圓盤變形量的影響 35 5.4小結 39 6 圓盤盤面連接焊縫形式的優(yōu)化 40 6.1 引言 40 6.2 有限元模型的建立 40 6.2.1 干化圓盤的幾何模型 40 6.2.2 材料屬性 40 6.2.3 模型分析步的確定 40 6.2.4 載荷及邊界條件 40 6.2.5 網格劃分 41 6.3 計算結果及討論 41 6.3.1 焊縫形式對圓盤應力的影響 41 6.3.2 焊縫形式對圓盤變形量的影響 43 6.4 小結 45 7 全文總結與展望 46 7.1 全文總結 46 7.2 展望 46 參 考 文 獻 48 致 謝 50 V 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1 引言 污泥是一種數量龐大、涉及廣泛并且對人體和環(huán)境具有極大危害的固體廢棄物，主要由市政生活、工業(yè)生產和水體疏浚等過程產生。污泥中含有大量有機物以及微生物，容易腐爛并且通常伴有惡臭氣味的產生[1]，同時，污泥中還含有銅、汞等重金屬元素以及二惡英等較難降解的有毒有害物質[2]，若不對此類污泥加以處置或者處置方法不當，它們將會對環(huán)境造成二次污染。 含油污泥主要產生于石油工業(yè)中對于原油的勘探、生產、運輸、儲存和煉制過程[3]，近年來，人們尤其對石油的煉制過程中產生的含油污泥倍加關注。它含有較高濃度的碳氫化合物和其他不易降解成分，若處理不當，將有可能對人體健康和環(huán)境安全構成嚴重威脅，因此，許多國家將其認定為危險廢物。由于含油污泥危險性較高，同時，其產量在世界范圍內顯著上升，對其的有效處理處置已經成為了世界性難題。 隨著我國工業(yè)化、城市化水平不斷加深，市場化不斷發(fā)展，人們對于環(huán)境問題也日益關注，對于污水污泥的處理量也連年攀升。截止到2011年，我國的污泥年產量已經達到了2200萬噸，經預測，到2020年，我國的污泥年產量將會突破6000萬噸[4]。放眼世界，歐洲一些國家的污水處理廠處理的含水率80%的脫水污泥已經達到了每年1千萬噸；美國每年能夠生產750萬噸干污泥；全球的干污泥年產量為3000萬噸[5]。 由于國家的重視和社會的需要，污水處理廠日益成套化、規(guī)?；?。含水率高、產量激增的污泥體積巨大，在為儲存、運輸和裝卸等過程中造成不便的同時，其具有的潛在風險也對環(huán)境安全留下了一定的隱患。對于此類污泥的處理，不同發(fā)展水平的國家有不同的標準。在一些發(fā)達國家，用于處理污泥的成本占據污水處理廠總成本的40%~60%，部分國家甚至能夠達到65%，歐洲各國處理并運輸這類污泥的成本約為每噸400~700歐元[6]。據統(tǒng)計，近年來，我國企業(yè)處理此類污泥的平均成本約為1500~6000元，其中，用于運輸污泥的費用就要占到其總處理成本的5%~15%左右[7]。對于部分企業(yè)來說，污泥處理的成本對企業(yè)運營造成了一定的經濟壓力?？紤]到目前污水生化處理技術已經逐步成熟且處理成本較低，全球90%的污水處理廠都開始采用該項技術，全球污泥年產量仍舊漲幅較大。 針對污泥的處理和處置分為兩個不同的階段：第一階段為污泥處理；第二階段為污泥處置[8]。污泥處理是指對污泥進行單元工藝組合處理，從而達到“減量化、穩(wěn)定化、無害化”目的的過程[9]。常見的污泥處理過程主要有機械脫水、化學調質和板框壓濾相結合、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵以及熱干化處理： （1）機械脫水：采用過濾的方式，利用多孔性材質兩面存在的壓差強制推動污泥中的水分分離，從而達到脫水干化的目的。機械脫水的主要方法有：真空吸濾法、壓濾法和離心法等。 （2）化學調質+板框壓濾：采用化學藥劑對污泥進行調質處理，改善污泥內部的脫水性能，再利用板框壓濾機對污泥中的水分進行過濾分離，處理得到含水率為60%的污泥[10]。 （3）厭氧發(fā)酵：對高濃度有機工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水污泥等在隔絕空氣的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學作用，對其中的有機物進行生物發(fā)酵，從而產生沼氣等資源以供二次利用[11]。 （4）熱干化：利用水蒸氣、導熱油、飽和蒸汽或工業(yè)余對污泥進行加熱，使其中的水分蒸發(fā)，從而達到深度脫水目的的技術。目前，該項技術已經在美國、日本等發(fā)達國家得到廣泛利用，通過調整干化過程中的工藝參數，可以滿足對不同污泥產品的含水率要求，有較為廣泛的適用性。 污泥處置是將經過處理后的污泥放置于地面、地下以及水等自然環(huán)境中，或者對其二次利用的最終消納方式，使污泥能夠達到長期穩(wěn)定的狀態(tài)從而不對生態(tài)環(huán)境等造成不良影響。目前，對于污泥的最終處置，比較有效的方法有：填埋、焚燒、廢料利用以及建材利用等： （1）填埋：污泥填埋主要可分為單獨填埋和混合填埋[12]，綜合考慮我國實際國情以及各種污泥處置方式的成本和可能對環(huán)境產生的影響，填埋處置可能會成為未來很長一段時間內我國處置脫水污泥的主要方法。 （2）焚燒：污泥焚燒主要分為單獨焚燒和協(xié)同焚燒。干燥污泥在焚燒爐中化為灰燼，其中含有的重金屬元素全部存留在爐灰中，使得污泥在體積減小的同時達到無害化的要求。 目前，通過機械脫水的污泥由大約80%的水分，10%的灰分和10%的有機物組成。污泥中較高的含水量導致其具有較大的體積和質量，對于后續(xù)運輸和轉移等處理過程造成了較大的負擔。因此，對污泥進行進一步干化處理已達到降低含水量從而減質減量的要求就顯得格外重要。 1.2 污泥干化工藝現(xiàn)狀 污泥干化又稱為污泥熱干化，是指通過某種設備或導熱介質對污泥進行加熱，從而促進其中的水分蒸發(fā)，達到降低污泥中的含水率進而降低污泥體積和質量，為后續(xù)處理創(chuàng)造條件的過程。 目前，世界上運用的污泥干化工藝類型主要分為三類：傳統(tǒng)污泥干化工藝、電能污泥干化工藝以及太陽能污泥干化工藝。 1.2.1 傳統(tǒng)污泥干化工藝 傳統(tǒng)污泥干化工藝是指利用帶式干化機、槳葉式干化機等熱干化集成設備，通過熱介質傳遞熱量，實現(xiàn)對污泥的干化處理。根據熱介質與污泥傳熱方式的不同，可以將干化工藝分為直接干化、間接干化以及直接—間接聯(lián)合式干化等工藝類型[13]。 （1）直接干化工藝 直接干化工藝是一種采用對流傳熱方式的工藝，主要涉及的熱工質為熱空氣、飽和蒸汽和煙氣等。通過將熱工質與污泥直接接觸來加熱污泥，使其中的水分得到加熱蒸發(fā)，從而實現(xiàn)污泥的干化。采用直接干化工藝的干化設備主要有噴霧干化機、箱式干化機以及流化床式干化機等。 （2）間接干化工藝 間接干化工藝是一種采用導熱傳熱方式的工藝，涉及的主要熱工質為飽和蒸汽和導熱油等。在干化過程中，濕污泥和熱工質之間被設備的壁面隔開，不能直接接觸，熱工質通過對流傳熱加熱壁面，高溫壁面進而將熱量傳遞給附著在其上的濕污泥中，從而實現(xiàn)濕污泥中水分的蒸發(fā)和干化。采用間接干化工藝的干化設備主要有槳葉式干化機以及轉鼓式干化機等。 （3）直接—間接聯(lián)合式干化工藝 直接—間接聯(lián)合式干化工藝是一種將對流傳熱和導熱傳熱相結合的干化工藝。 1.2.2 電能污泥干化工藝 電能污泥干化工藝是指通過將電能轉化成為熱能或微波等其他形式的能量，對濕污泥進行加熱，使其中的水分得到蒸發(fā)干化的工藝。通常情況下，采用電加熱爐將電能轉化為熱能對濕污泥進行間接烘干。電能污泥干化系統(tǒng)主要由污泥存儲模塊、污泥輸送模塊、電解熱干化模塊、輸出及暫存模塊等組成，其工藝流程如圖1所示。 污泥混料 污泥料倉 定量輸送機 投加器 電加熱 定量輸送機 尾氣處理裝置 污泥流程 尾氣流程 圖1 電能污泥干化工藝流程圖 電干化工藝對電能的生產和使用具有比較高的需求。電能作為推動當今世界發(fā)展的主要能源，在絕大多數領域中被研究、開發(fā)及使用。目前，電力資源不僅僅依靠消耗礦產資源獲得，風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽能發(fā)電等清潔高效的發(fā)電技術都日趨完善，電能逐漸成為一種低成本的綠色可持續(xù)能源以供工業(yè)企業(yè)使用。同時，電加熱污泥干化機具有設備簡單，操作便捷，生產效率高等優(yōu)點。因此，利用電能這種較為經濟清潔的能源對污泥進行干化是切實可行的方案。 但是，由于電干化工藝耗能較高，對于部分電力資源較為匱乏或污泥產量大的企業(yè)和地區(qū)而言不是很適用。該工藝主要適用于污泥產量較小，電能資源豐富、電力成本較低的地區(qū)。 1.2.3 太陽能污泥干化工藝 太陽能污泥干化工藝是指利用太陽能對濕污泥中的水分進行蒸發(fā)干化的工藝。該工藝中，將太陽能技術和自動控制技術相結合，對污泥進行傳統(tǒng)溫室干燥[14]。干化過程主要分為三個步驟： （1）輻射干燥：將污泥置于溫室內進行太陽能輻射換熱，溫室內溫度升高，則濕污泥中水分向周圍環(huán)境蒸發(fā)，環(huán)境中的濕度逐漸達到飽和狀態(tài)； （2）利用風機等設備，將溫室內的濕度較大的空氣排出，從而促進污泥中水分的進一步蒸發(fā)； （3）待污泥干度保持在40%~60%時，提供相應環(huán)境，使其中的有機物在有氧的環(huán)境下進行發(fā)酵，污泥內部的溫度隨之進一步上升，在加速其內部水分蒸發(fā)干化的同時，也起到了污泥穩(wěn)定化處理的效果[15]。 與傳統(tǒng)污泥干化工藝以及電能污泥干化工藝相比較而言，太陽能污泥干化工藝具有耗能較小、運行管理費用較低等優(yōu)點，同時，經過太陽能低溫干化處理后產生的污泥體積減小3~5倍，且未破壞其原有的農業(yè)再利用價值。該系統(tǒng)工藝利用可再生資源太陽能作為其主要能源，滿足環(huán)境友好型發(fā)展的社會需求。 然而，天陽能干化工藝也具有其自身局限性。首先，污泥的處理量主要依賴于溫室的面積，對場地空間有一定的要求；同時，季節(jié)環(huán)境等因素對該工藝的處理效果有較大的影響。太陽能干化工藝僅適用于部分地廣人稀、日照較強、氣候干燥的地區(qū)。 1.3 污泥干化技術與設備簡介 1.3.1 離心污泥干化技術 離心污泥干化技術也稱為脫水干化一體技術。濕污泥從濃縮池進入離心干化機中的離心機部分，經過機械脫水后，細粉狀的污泥以高速從離心機的卸料口排出，將蒸汽或熱空氣引入干化機內部，與細粉狀污泥接觸時，可以瞬時將含水量降低到20%左右[16]。經過干化后70℃左右的污泥顆粒與含水量較高的廢氣一起進入到旋流分離器中進行分離操作。最后對廢氣進行尾氣處理，將產生的尾氣通入洗滌塔中，通過冷凝，析出其中大部分的水分，經過凈化后，40℃的廢氣排出洗滌塔。 離心污泥干化技術主要涉及的設備就是離心干化機，主要具有設備操作簡單，占地面積小，工藝流程較為簡單等優(yōu)點。其中離心及干化過程均在一體化的設備中進行，對存儲、運輸裝置需求較小。 1.3.2 流化床污泥干燥技術 流化床式污泥干燥技術是先將脫水污泥輸送到污泥存儲倉中，利用污泥泵將其運輸至流化床污泥干燥機的進料口并對其進行分配[17]。其系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。 流化床干化技術的主要設備是流化床干化機。流化床干化機是一種依靠對流傳熱原理的熱干化機，其熱工質通常為高溫空氣、煙氣或飽和蒸汽等該設備主要由風箱、中間段以及抽吸罩組成[18]。風箱位于干燥機的下部，其作用是輸送循環(huán)氣體至設備中需要的區(qū)域；在中間段部分，熱工質進入流化床中對污泥中的水分進行蒸發(fā)干化；抽氣罩位于設備上端，用于分離污泥顆粒以及循環(huán)氣體。在該設備中，污泥在85℃的干燥環(huán)境中進行干化。 流化床污泥干化設備中均為固定部件，因此對于故障檢修的需求較小。同時，設備內無返料系統(tǒng)，設備結構較為簡單。但是無法準確控制設備內部污泥顆粒的直徑大小。 脫水 脫水 污泥 污泥倉 污泥泵 流化床 污泥顆粒 旋轉 氣鎖閥 料倉 流化氣體 排放 冷凝水 60℃ 85℃ 輸送機 灰塵 旋風分離器 輸送機 螺旋混合器 洗滌器 冷凝器 圖2 流化床污泥干化系統(tǒng)流程圖 1.3.3 直接加熱轉鼓干化技術 直接加熱轉鼓干化技術是將機械脫水后的污泥輸送至混合器中，與部分干化污泥按比例混合成為含水率為40%~50%的混合污泥，再將其通入轉鼓式干燥器中進行干化。 直接加熱轉鼓干化技術主要涉及的裝置為轉鼓式干燥機，混合污泥在轉鼓內與700℃左右的飽和蒸汽或熱空氣混合，熱工資直接對其進行加熱，待烘干后，混合物通過螺旋輸送機進入分離器中回收其中的氣體，氣體經過生物過濾器等的處理達到排放標準后排出，分離器中的干污泥經過篩選器后按顆粒度的不同分開儲藏以待后處理。 直接加熱轉鼓干化技術主要是在隔絕氧氣的環(huán)境中完成干化過程，不會產生灰塵，同時，干化后污泥顆粒的粒徑可控，在實現(xiàn)氣體循環(huán)利用的情況下可以有效減小尾氣的處理成本。 1.3.4 間接式多盤干燥技術 間接式多盤干燥技術主要利用導熱傳熱的原理，以飽和蒸汽、導熱油等為主要熱工質，將經過機械脫水后含固率為25%~30%的污泥最終實現(xiàn)污泥的半干化或全干化。 間接式多盤干燥技術設計的主要設備包含臥式轉盤式干化機。臥式轉盤式干化機主要由臥式外殼、熱軸轉子以及驅動裝置組成[19]。污泥分布于圓盤外壁以及外殼內壁之間的空間，通過轉盤邊緣推進器的推動，污泥得以均勻、緩慢的輸送通過干化機。熱軸內的熱工質與圓盤內壁面充分接觸發(fā)生對流換熱，加熱圓盤，進而將熱量傳遞給附著在其上污泥中，是其中的水分蒸發(fā)干化。 間接式多盤干燥技術產生的干化污泥均為粒徑均勻、形狀規(guī)則的污泥顆粒，這些具有較高熱值的顆?？勺鳛槿剂线M行再次利用。同時，干化過程中不產生灰塵，尾氣經過冷凝以后進入燃燒爐中，其中的刺激性氣味氣體得以徹底分解，是一種較為清潔的干化技術。 1.4 本課題研究目的及主要內容 本課題旨在利用有限元數值模擬對某企業(yè)KJG-100型污泥干化機中單個圓盤整體進行結構優(yōu)化設計，以達到優(yōu)化圓盤干燥機工作性能，改善其原有不足，提高圓盤干燥機效能以及企業(yè)市場競爭力的目的。 本文各章節(jié)的主要研究內容如下： 第一章為緒論。主要介紹該課題的研究背景，對現(xiàn)有的污泥干化工藝、技術和設備等幾個方面進行現(xiàn)狀及優(yōu)缺點分析，總結目前該領域的研究進以及發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章為圓盤結構的設計。圓盤結構作為圓盤干化機的核心部件，起到主要的傳熱作用。本章主要結合現(xiàn)有的單個圓盤整體結構，從中空圓盤內部蒸汽流場以及強化傳熱的角度出發(fā)，對其進行相應的結構優(yōu)化，在圓盤內部加入加強筋結構，并給出相應的待確定設計參數。 第三章為針對圓盤結構的有限元數值模擬。利用有限元軟件對有無加強筋的圓盤結構進行有限元建模。研究加強筋在影響流場強化傳熱的基礎上對圓盤受壓后最大應力及最大變形量數值及分布位置的影響，分別創(chuàng)建經過最大值點的徑向及周向路徑并將曲線進行對比，總結加入加強筋結構以后圓盤受壓后應力及變形量的變化情況。 第四章為采用有限元方法優(yōu)化加強筋的布置。將加強筋結構的主要尺寸參數設為考慮因素，對含加強筋圓盤結構進行正交試驗?？紤]到加強筋的主要尺寸包括長度、厚度、內端直徑以及分布個數，選擇以圓盤受壓后產生的最大應力和最大變形量為試驗指標的四因素三水平正交試驗。對正交試驗進行極差分析，得出各個因素分別對兩個指標的影響情況以及因素的主次順序，最終對兩個指標進行綜合平衡分析，得出加強筋結構的最優(yōu)水平組合，完成對真空干化圓盤加強筋結構的優(yōu)化。 第五章為溫度場對圓盤結構數值模擬的影響。在對污泥干化圓盤進行有限元數值模擬過程中，結合實際工況，加入溫度場。分別對溫度場單獨作用以及溫度載荷和壓力載荷共同作用下圓盤產生的應力及變形量情況，得出實際工況中溫度場的影響。 第六章為圓盤外端焊接形式的優(yōu)化。對已有的圓盤結構進行改進，考慮改變兩圓盤相連接的外端周向焊縫，通過采用大小圓盤的結構形式，增大焊縫的接觸面積，從而優(yōu)化焊縫處的受力情況。同時，在改變焊縫形式以后，對不對稱圓盤結構受壓后的應力及變形量情況進行分析，研究改變焊縫形式對圓盤整體受壓后應力及變形量的影響。 第七章為全文總結與展望。 2 圓盤結構設計 2.1 引言 圓盤干化機是一種大型間接式干燥設備，具有高效節(jié)能的特點。其典型干化工藝流程如圖3所示。 冷凝水 干燥外運 污泥 濾料漏斗 污泥干化機 濾料機 外部蒸汽供應 尾氣處理裝置 污泥流程 清潔水流程 尾氣流程 圖3 典型圓盤干化工藝流程 和其他基于導熱傳熱原理的干燥設備相同，圓盤干化機利用圓盤作為加熱面，選取飽和蒸汽或導熱油等為熱工質，對物料進行間接傳熱。圓盤干化機主要由驅動裝置、外殼和轉子組成[20]。污泥填充在圓盤外側和外殼形成的空間內，熱工質從中空圓盤組中流過，其熱量通過圓盤壁面，傳遞給附著在圓盤表面的污泥，實現(xiàn)對污泥的干化。通過對主軸轉速的調節(jié)，還可以達到控制出口污泥含水量的目的。 污泥通過圓盤邊緣推進器的推進作用，能夠被均勻、緩慢的輸送通過整個干化機殼程[21]。圓盤之間設有固定于外殼上的刮刀結構，可以對圓盤上的污泥起到疏松的效果，加快污泥干化過程中釋放出來的廢蒸汽的排出。同時，為加快廢蒸汽的排出，從而提高其工作效率，圓盤干化機必須引入載氣引風機，通常以干空氣作為載帶氣體，來攜帶走于設備內部產生的水蒸氣[22]。 承壓圓盤作為干化成套設備的核心部件，起到主要傳熱效果，因此在設計過程中既要保證圓盤結構的傳熱效果，又要有足夠的強度和剛度。本章主要根據傳統(tǒng)圓盤結構進行改進，在其中加入加強筋結構，已達到改善中空圓盤內蒸汽流場從而優(yōu)化圓盤傳熱效果的目的。 2.2 傳統(tǒng)圓盤結構 傳統(tǒng)污泥干化圓盤結構如圖4所示。 傳統(tǒng)圓盤污泥干化機的主體由圓筒形外殼和貫穿其中的圓盤組組成。其主軸為由蒸汽軸和冷凝水軸組成的復合中空軸結構。內層飽和蒸汽經圓盤蒸汽入口管進入圓盤，待和圓盤進行充分接觸后形成冷凝水。冷凝水從圓盤冷凝水出口管進入冷凝水軸，進而排出主軸。承壓圓盤作為干化成套裝備內的核心結構，采用對稱形式，由兩個尺寸相同的圓盤焊接而成，圓盤內部由兩個成180°的隔板隔開，在分割流場的同時保證一定的強度和剛度。 1—圓盤　　　2—冷凝水軸　　　3—蒸汽軸 4—圓盤蒸汽入口管　　　5—圓盤隔板　　　6—圓盤冷凝水出口管 圖4 旋轉圓盤結構簡圖 2.3 本課題研究圓盤結構 為改善中空圓盤內流場情況，本課題研究時，在中空圓盤內部加入加強筋結構。改進后的圓盤結構如圖5所示。 1—圓盤　　　2—冷凝水軸　　　3—圓盤蒸汽入口管　　　4—圓盤隔板 5—圓盤冷凝水出口管　　　6—蒸汽軸　　　7—加強筋 圖5 本課題研究圓盤結構 在不改變圓盤干燥機工作原理的情況下，加入加強筋結構一方面能夠有效打亂圓盤內原有的蒸汽流場，增大中空圓盤內部流體流場的擾動，一定程度上加大了飽和蒸汽對圓盤的傳熱系數。另一方面蒸汽與加強筋相接觸，增大了蒸汽和圓盤之間的傳熱面積，使圓盤壁面受熱更加均勻。加強筋結構的加入，能夠有效增大傳熱量，從而達到強化傳熱效果，提高圓盤干化機工作效率的目的。 同時，在中空結構內加入加強筋作為支撐，理論上能夠優(yōu)化圓盤結構的受力情況，減小圓盤受壓后的變形量，使得圓盤結構在實際工作過程中更為穩(wěn)定耐用，有效節(jié)約企業(yè)生產成本。 2.4 小結 圓盤結構作為圓盤干化機的核心部件，起到主要的傳熱作用，因此，圓盤結構的合理與否對于圓盤干化機的整體工作性能起到至關重要的作用。 本章集中介紹了傳統(tǒng)圓盤和經研究改進后圓盤的具體結構。傳統(tǒng)圓盤結構中，飽和蒸汽從蒸汽軸進入圓盤空腔后，僅與圓盤內壁面和隔板面進行接觸，其流場也較為穩(wěn)定。經過改進后，在中空圓盤內加入了加強筋結構，蒸汽與圓盤壁面、隔板以及加強筋側面接觸傳熱，增大了換熱面積。干化機運行時，圓盤緩慢轉動，加強筋能夠有效加大圓盤空腔內飽和蒸汽流場的紊亂程度，從而加大對流換熱系數，強化蒸汽和圓盤之間的傳熱，從而提高圓盤干化機的工作效率。 因此，從強化傳熱的角度來說，在中空圓盤結構中加入加強筋，比傳統(tǒng)的圓盤結構更利于蒸汽和壁面間的換熱。 3加強筋結構對圓盤應力與變形的影響 3.1 引言 有限元法采用微元的思想，將研究對象整體離散為有限個單元的集合，以求能夠區(qū)域化的求解整體的未知場函數，從而求得相應條件下整體對象的計算結果及狀態(tài)。劃分的單元個數越多，計算結果越為精確。有限元法是一種高效率、高精度的計算機模擬算法，近年來被廣泛運用于工程領域，其影響力也逐步擴展到各個科學技術領域。 圓盤干化機作為一種處理量較大的間接傳熱式干化機，圓盤結構作為其中的核心部件，對干化機整體的工作性能起到決定性的作用。目前，針對圓盤干化機的研究中，已有對干化機旋轉主軸的彎曲扭轉載荷分析，以及針對傳統(tǒng)圓盤結構（不含加強筋）的強度分析。 本課題研究中，運用有限元軟件ABAQUS針對設有加強筋的中空圓盤結構進行有限元數值模擬，考察加強筋結構在強化傳熱的同時對于單個圓盤整體結構在受壓情況下的應力及變形量影響。 3.2 有限元模型的建立 本章節(jié)中，利用有限元軟件ABAQUS對KJG-100污泥干化圓盤進行數值分析。 3.2.1 傳統(tǒng)干化圓盤的幾何結構 KJG-100真空干化圓盤采用對稱結構，兩圓盤采用角接焊縫連接，圓盤整體和主軸采用T型焊接接頭，圓盤結構形式見圖，各部件結構參數匯總見表1。 表1 KJG—100真空干化圓盤結構參數匯總 部件名稱 尺寸參數/mm 蒸汽軸 Φ159*8 冷凝水軸 Φ351*30 冷凝水出口管 Φ32*3 蒸汽入口管 Φ32*3 圓盤直徑 Φ970 圓盤厚度 10 隔板厚度 10 3.2.2 改進后干化圓盤的幾何結構 經研究，對KJG-100真空干化圓盤結構進行改進，以原結構為基礎，在真空圓盤內部加入加強筋結構，其尺寸參數見表2。 表2 加強筋結構尺寸參數示意表 對象 參數 長度 L1 厚度 δ 內端直徑 Φ 分布個數 n 3.2.3 材料屬性 本課題研究的KJG-100真空干化圓盤各部件材料及其物性參數如表3所示。 圓盤干化機在正常工況下，主軸及圓盤結構內均充滿飽和蒸汽，蒸汽軸及冷水軸軸壁兩側受等值壓力載荷，大部分內外側受壓力可星湖抵消，受力情況較為簡單，故采用壓力容器專用碳素鋼制造。碳素鋼雖然強度較低，但其塑性和焊接性能較好，且價格低廉，被廣泛應用于中、低壓容器的制造中。 表3 圓盤結構各部件材料及其物性參數 部件名稱 材料 彈性模量/GPa 泊松比 蒸汽軸 Q245R 189 0.3 冷凝水軸 20R 189 0.3 圓盤 304 195 0.3 隔板 304 195 0.3 加強筋 304 195 0.3 蒸汽進口管 304 195 0.3 冷凝水出口管 304 195 0.3 圓盤結構作為圓盤干化機的核心部件，起到主要承壓及干化作用，因此，圓盤整體及其內部的隔板、加強筋等結構均采用304不銹鋼制成。304不銹鋼作為應用較為廣泛的奧氏體不銹鋼，具有良好的塑性、韌性、耐蝕性和耐熱性，加工性能和可焊性能也較為優(yōu)良，熱處理后不易產生硬化現(xiàn)象，該材料適用于干化機圓盤結構。 3.2.4 模型分析步的確定 通常情況下，實際物理過程中，對對象施加的載荷和邊界條件的控制是隨時間變化的。在有限元模擬過程中，可以根據實際情況，創(chuàng)建不同的分析步，將對應的載荷和邊界條件按不同的時間段施加到對象上，完整的分析過程則由一系列的分析步組成。 在本次研究中，考慮到圓盤結構所受載荷及邊界條件的類型，分析步均設置為通用線性分析。首先，在初始分析步（initial step）中設置邊界條件，然后通過在第一個分析步中施加0.1MPa的壓力載荷創(chuàng)建模型內部受壓的初始平衡，最后，在后續(xù)分析步中將載荷加之實際工況下的載荷情況。 3.2.5 載荷及邊界條件 真空圓盤干化成套設備采用蒸汽干化法，通過飽和蒸汽和圓盤壁面接觸完成熱交換，驅動附著在圓盤外表面的污泥中的水分蒸發(fā)干化。由于蒸汽熱源是理想的清潔能源，具有易于獲得，使用的工程條件也較為便捷，便于實現(xiàn)綜合循環(huán)利用等優(yōu)點，熱電廠、冶金廠和石油煉化廠等廠礦企業(yè)在污泥干化過程中更傾向于選擇蒸汽干化法。一般使用0.5MPa，150℃左右的低壓蒸汽，確定干化圓盤的設計壓力為0.6MPa。主軸及圓盤結構內與蒸汽接觸的部分，包括圓盤內壁面、隔板兩側面、加強筋兩側面及前后端面、蒸汽軸內外壁面、冷凝水軸內壁面以及前后兩圓盤間外壁面均承受0.6MPa的蒸汽壓力。 在加載過程中，為建立模型受載荷后的初始平衡，考慮分步施加壓力載荷。在第一個分析步中施加0.1MPa的載荷，然后在第二個分析步中施加0.6MPa的載荷。 本課題中，截取主軸中包含單個圓盤整體的一部分軸段進行研究，考慮軸端面的相互作用，設置蒸汽軸和冷凝水軸的一個端面在軸向上靜止，定義模型的邊界條件如圖6所示。 圖6 邊界條件 3.2.6 網格劃分 對已經建好的KJG-100真空干化圓盤模型進行分割，直至模型中的所有部件均能進行網格劃分。分割后，圓盤結構的外端連接焊縫以及蒸汽軸區(qū)域顯示為黃色，故采用掃略網格技術將其劃分為六面體單元的集合；其余部分均顯示為綠色，故采用結構化網格技術將其劃分為六面體單元的集合。在進行網格無關性檢測以后，確定劃分后的單元數量為22萬時較為合理。模型網格劃分情況如圖7所示。 （a）無加強筋圓盤 （b）有加強筋圓盤 圖7 KJG-100數值分析用模型 3.3 計算結果與討論 3.3.1 加強筋結構對圓盤應力的影響 以加強筋結構L=80mm，δ=8mm，Φ=450mm，n=8為例，在有無加強筋結構的條件下，圓盤在工作狀態(tài)下的應力分布如圖8所示。 由圖8可見，無加強筋時，最大應力分布在圓盤根部附近，于隔板的夾角大致為90°，其數值為214.1MPa；有加強筋時，最大應力分布在加強筋外端和圓盤接觸位置，其與隔板的夾角也大約呈90°，數值為207.2MPa。從位置上分析，無加強筋時，圓盤根部與冷凝水軸連接焊縫處承受較大應力，而有加強筋時，圓盤面承受較大應力。從數值上分析，中空結構中加入加強筋結構以后，圓盤受最大應力減少了6.9MPa，對于無加強筋圓盤結構而言，最大應力減少了3.2%。圓盤、隔板及加強筋材料為304不銹鋼，其屈服應力約為205MPa，則不論有無加強筋結構，局部圓盤區(qū)域處在塑性變形狀態(tài)下。 接下來，針對有加強筋出現(xiàn)時圓盤最大應力出現(xiàn)的位置，作更為詳細的數值分析。 在有加強筋結構的圓盤模型中，創(chuàng)建通過最大應力值點的徑向路徑Path 1和周向路徑Path 2；同樣的，在無加強筋結構的圓盤模型中，創(chuàng)建通過最大應力值點的徑向路徑Path3和周向路徑Path4，路徑創(chuàng)建如圖9所示。將兩者對應路徑的應力值進行比較。 圖10展示了在有無加強筋情況下，過最大應力點位置的徑向應力分布曲線。如圖所示，無加強筋圓盤結構受壓后的最大應力出現(xiàn)在半徑為175.5mm處附近；而含加強筋圓盤結構受壓后的最大應力出現(xiàn)在半徑為305mm處附近。同時，無加強筋時，兩圓盤與冷凝水軸的焊接區(qū)域以及兩圓盤外端的焊接區(qū)域處應力值較高，兩重要焊縫處應力值均超過175MPa；而有加強筋時，圓盤受最大應力位置在圓盤中部，兩焊縫區(qū)域的應力值明顯降低，均在100MPa以下。 （a）無加強筋圓盤 （b）有加強筋圓盤 圖8 圓盤應力分布圖 （a）有加強筋圓盤 （b）無加強筋圓盤 圖9 圓盤應力數值分析路徑 圖10 圓盤應力徑向分布曲線 圖11展示了在有無加強筋情況下，過最大應力點位置的周向應力分布曲線，起始位置位于0°隔板處。如圖所示，無加強筋圓盤結構所受最大應力值明顯高于含加強筋圓盤結構，應力超過200MPa的區(qū)域連續(xù)且范圍分布較寬；而含加強筋圓盤結構受壓后，最大應力值在周向上呈周期性分布，出現(xiàn)次數與加強筋的分布個數相同，且峰值區(qū)域曲線較為尖銳，說明最大應力值的影響區(qū)域較小。同時，不論有無加強筋結構，隔板處（0°、180°以及360°附近）的應力值都相對較小。 圖11 圓盤應力周向分布曲線 3.3.2 加強筋結構對圓盤變形量的影響 在有無加強筋結構的條件下，干化圓盤在工作狀態(tài)下的變形量分布情況如圖12所示。 由圖12可知，在無加強筋時，圓盤的最大變形量為1.431mm，出現(xiàn)在兩邊圓盤中部垂直于隔板位置；有加強筋時，圓盤的最大變形量為0.3788mm，出現(xiàn)在兩邊圓盤中部，分布于兩加強筋外端中部位置。從分布情況分析，無加強筋時，圓盤中部大面積范圍變形量較大；而有加強筋結構時，變形較大區(qū)域明顯減小且被加強筋結構分隔開。從數值角度分析，在加入加強筋結構以后，圓盤的最大變形量減小了1.0522mm，減小幅度達到了73.53%。然后，針對有加強筋出現(xiàn)時圓盤最大變形量出現(xiàn)的位置，作更為詳細的數值分析。 在有加強筋結構的圓盤模型中，創(chuàng)建通過最大變形量點的徑向路徑Path5和周向路徑Path6；同樣的，在無加強筋結構的圓盤模型中，創(chuàng)建通過最大變形量點的徑向路徑Path7和周向路徑Path8，路徑創(chuàng)建情況如圖13所示。將兩者對應路徑的變形量進行比較。 （a）無加強筋圓盤 （b）有加強筋圓盤 圖12 圓盤變形量分布圖 圖14展示了在有無加強筋結構的情況下，經過圓盤最大變形量點位置的徑向變形量分布曲線。如圖所示，在中空圓盤內部加入加強筋結構以后，圓盤變形量明顯減小，變化幅度較無加強筋圓盤而言更為平緩。對于無加強筋圓盤，最大變形量出現(xiàn)在兩側圓盤中部區(qū)域；而對于含加強筋圓盤，最大變形量出現(xiàn)的位置有明顯外移，處于加強筋外端和圓盤外端中部位置，圓盤變形量均保持在0.4mm以下。 （a）有加強筋圓盤 （b）無加強筋圓盤 圖13 圓盤變形量數值分析路徑 圖14 圓盤變形量徑向分布曲線 圖15 圓盤變形量周向分布曲線 圖15展示了在有無加強筋結構的情況下，經過圓盤最大變形量點位置的周向變形量分布曲線，起始位置位于0°隔板處。如圖所示，無加強筋圓盤受壓后的最大變形量明顯大于含加強筋圓盤結構，變形量超過1.2mm的區(qū)域總體連續(xù)且分布范圍較大；而含加強筋圓盤受壓后產生的變形量明顯減小，數值大體呈周期性變化，分布也相對較為均勻。同時，不論有無加強筋結構，隔板處（0°、180°以及360°附近）的變形量都相對較小，說明此處剛度較好。 3.4 小結 利用有限元軟件ABAQUS對有無加強筋的KJG-100圓盤結構進行數值模擬，分析結果顯示，在正常工況下，加強筋結構對圓盤受壓后的應力以及變形量情況有明顯的改善作用。其具體改善方面如下： （1）加入加強筋結構以后，圓盤受壓后的最大應力為207.2MPa，較無加強筋圓盤而言，減小了3.2%。同時，加強筋結構的加入，改變了最大應力分布的區(qū)域，使得最大應力從圓盤與冷凝水軸連接的環(huán)焊縫區(qū)域變化到圓盤中部，減小了焊縫區(qū)域的應力從而增強了結構的可靠性。 （2）加入加強筋結構以后，圓盤受壓后的最大變形量為0.376mm，較無加強筋圓盤而言，減小幅度達到了73.53%。同時，加入加強筋結構以后，較大變形量的分布區(qū)域明顯減少，位置外移，分布也較為均勻且其影響區(qū)域也相應減小。 由已有研究可知，加強筋結構的加入對改善中空圓盤受壓后的應力和變形量情況等均有利。因此，加入加強筋結構對于優(yōu)化圓盤結構而言確實是行之有效的方案。 4 圓盤加強筋結構的優(yōu)化 4.1 引言 通過已有研究，我們發(fā)現(xiàn)在中空圓盤內部加入加強筋結構以后，干化圓盤受壓后的應力及變形量情況都有較為明顯的改善。因此，加強結結構的加入不僅能夠改善蒸汽流場，強化干化圓盤的傳熱情況，還能對圓盤結構起到一定的加強作用。 研究還發(fā)現(xiàn)，不同結構尺寸的加強筋對于圓盤結構的改良效果是不一樣的，那么，如何通過科學的方法來確定加強筋的結構尺寸以達到最優(yōu)的圓盤結構就成為課題下一步的研究方向。 如圖16所示，加強筋的主要尺寸包括其長度（L1）、厚度（δ）、內端直徑（Φ）以及在圓盤結構中的分布個數（n），則優(yōu)化過程中主要考慮這四個因素對圓盤結構在實際工況中受應力和變形量的影響。 圖16 加強筋主要結構尺寸示意圖 4.2 有限元模型的建立 4.2.1 實驗方案的確定 在確定加強筋結構尺寸的過程中，總共要考慮四個因素對圓盤受壓情況的影響。若每個因素逐一考慮并建模分析，會耗費大量的計算時間和成本，因此，考慮使用正交試驗對加強筋的結構尺寸進行優(yōu)化。 正交試驗屬于設計試驗方法中的一種，是一種將多個因素按照一定規(guī)律安排在正交表中并對其進行結果分析的設計方法，通常在考慮多因素多水平的研究過程中使用。 在進行正交試驗的過程中，根據正交性，從全面試驗中挑出有代表性的部分具有“均勻分散，整齊可比”特點的點進行實驗，通過分析選出的部分實驗的結果，了解全面試驗的情況，從而得出結論。 正交試驗常用于最優(yōu)化思想指導的優(yōu)化設計。一般情況下，按照正交表安排正交試驗，正交表有一套規(guī)則的設計方法，主要具有正交性、代表性以及綜合可比性等特點： （1）正交性：正交表的任意一列中，不同的數字出現(xiàn)的次數相同；同時，任意兩列中，同一行數字組成的數對出現(xiàn)相同的次數。正交性主要體現(xiàn)正交表中所有列的地位是相同的，所有行的地位是平等的，任意列與列餓、行與行之間均可以相互置換而不影響正交表的合理性和科學性。 （2）代表性：正交表的任意一列中，所有水平都會出現(xiàn)；同時，任意兩列中，所有的數對組合都會出現(xiàn)。代表性主要體現(xiàn)在所有因素一起某一因素對應的所有水平都包含在所選取的部分試驗中，同時，試驗過程中能夠涉及到任意兩個不同因素之間的所有組合。 （3）綜合可比性：正交表的任意一列中，各個水平安排相同的出現(xiàn)次數；同時，任意兩列中，所有可能的數對組合出現(xiàn)相同的次數。綜合可比性主要體現(xiàn)在在對比任意因素的各個水平過程中，能夠較大程度上排出其他干擾因素的影響，從而更加突出該因素的作用。 正交表的三大基本特點中，正交性既是核心也是基礎，代表性以及綜合可比性是正交性的必然結果。 在處理實際問題的過程中，常常會遇到考慮多指標優(yōu)化的問題，針對這個類問題，主要可以采用綜合平衡法以及綜合評分法對正交表進行處理： （1）綜合平衡法：首先，針對每個因素對各個指標的影響進行單獨考察，然后對各個結果進行分析比較，得出最優(yōu)的水平搭配，進而確定最終的試驗優(yōu)化方案。 （2）綜合評分法：首先，根據對各個指標進行重要性程度評估并賦予其相對應的權數，在實驗計算的過程中，對這些指標進行過加權處理，將多指標問題轉化為單一指標問題。 本課題中，對干化圓盤結構的優(yōu)化主要表現(xiàn)在對中空圓盤內部加強筋結構長度、厚度、內端直徑以及分布個數最優(yōu)布置的確定。 通過對干化圓盤的全面考慮，確定加強筋結構的長度、厚度、內端直徑以及分布個數作為本試驗的試驗因素，將這些因素分別記為A、B、C、D，并在每個因素內部確定三個水平，進行四因素三水平正交試驗。試驗因素水平表見表4所示。 表4 加強筋結構優(yōu)化實驗因素水平表 水平 實驗因素 長度/mm A 厚度/mm B 內端直徑/mm C 個數 D 1 80 6 400 6 2 100 8 450 8 3 120 10 500 10 在確定了實驗因素水平表之后，根據等水平正交表，在能夠安排下實驗因素和交互作用原則的指導下，為了減少試驗次數，節(jié)約計算成本，盡可能選用規(guī)模較小的正交表。本次研究中，確定的試驗方案如表5所示。 在確定好正交試驗表后，進行建模并對其數值模擬，為后續(xù)得出優(yōu)化方案奠定基礎。 表5 加強筋結構優(yōu)化試驗方案 實驗號 因素 A B C D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 4.2.2 模型的建立 本章節(jié)中，針對加入加強筋結構以后的KJG-100真空干化圓盤進行有限元建模。 （1）干化圓盤的幾何模型 利用ABAQUS軟件中自帶的建模工具對含加強筋結構的KJG-100真空干化圓盤進行建模，建模過程中需要的主要尺寸見表6。 表6 加入加強筋結構后KJG—100真空干化圓盤結構參數匯總 部件名稱 尺寸參數 蒸汽軸 Φ159mm*8mm 冷凝水軸 Φ351mm*30mm