摘要：研究污水处理设备强度优化问题,倒伞型曝气机是污水生物处理技术中的关键设备,具有充氧、搅拌和推流等作用。搅拌叶轮的设计和优化对其最主要的性能指标充氧动力效率至为关键。在研究曝气机充氧机理的基础上,对曝气机的叶片进行了实体建模、有限元分析和优化设计。首先利用ANSYS平台对叶片工作过程进行了研究,通过实体建模、网格划分和有限元分析等过程,对曝气机搅拌叶片在工作状态的应力应变情况进行了有限元仿真分析。仿真结果明确了叶片的薄弱环节,并为进行优化和改良结构,为产品的生产设计提供了研究依据。

关键词:倒伞曝气机;有限元分析;优化设计

Fin ite Element Ana lysis and Optima l Designfor Inverted Umbrella Aera tor

Abstract：The inverted umbrella aerator is the key equipment of biological wastewater treatment technology,which has the effects of oxygenation, mixing and p lug - flow The design and op timization of the mixing impeller ismost important to the efficiency of oxygenation In this paper, the solidmodeling and finite element analysis and op ti2mal design of aerator blades were made based on the study of the oxygenation mechanism Firstly, the working process of the bladeswas studied through solid modeling, mesh generation and finite element analysis process, and the stress - strain finite element analysiswas offered based on ANSYS, which identified the weak links in the leavesAnd more, the op timized and imp roved designs for the p roduction were made, which set the foundation for the manu2facture of the blades

Keywords: Inverted umbrella aerator; Finite element analysis; Op timal design目录

1 绪论

11 前言1

12 有限元方法简述1

121 有限元法的发展历史2

122 有限元法在工程结构分析中的应用2

123 有限元法的新发展3

13 倒伞型曝气机的有限元分析现状4

14 本文主要研究内容5

2 曝气机工作原理和性能指标

21 国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点6

22 优化设计研究现状8

221 优化方法学的发展与研究现状8

23 曝气机的结构功能及工作原理详细分析10

24 曝气原理分析12

25 曝气机性能评价指标的确定14

3 基于ANSYS曝气机的有限元分析与优化设计

31 有限元软件ANSYS概述18

311 ANSYS软件环境简介18

312 ANSYS软件主要特点20

32 倒伞型曝气机叶片标准与二维图形21

33 曝气机的优化设计方法23

34 倒伞型曝气机的有限元分析23

35 叶片材料的选择26

36 叶片的网格模型27

4 总结34

参考文献35

致谢36

1绪论

1．1前言

CAE(Computer Aided Engineering)技术，即计算机辅助工程稃技术，是一个涉及面广、集多种学科与工程技术于一体的综合性，知识密集犁技术。相应的CAE软件则是包含了数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真在内的综合型软件系统。

CAE技术的发展动力是CAD＼CAM技术水平和应用水平的提高，CAE技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，CAE软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，其核心内容是计算机模拟利仿真。本文的理论依据来自有限元法。

1．2有限元方法简述

结构分析的目的是为了弄清楚结构系统在承受一定载荷下的物理响应，以指导结构设计。一般来说，结构分析方法可分为两大类：经典法和数值法。

经典法是精确解法和近似解法。即在给定边界条件下直接采用控制微分方程来求解工程问题，其方程是基于物理原理而建立的。闭合硝精确解仅对几何形状、载荷与边界条件最简单的情况才可得到。近似解法是对控制微分方程求得近似解，采用适当截断误差的级数展开式表达。它同样要求有规则的儿何形状、简单边界条什以及简单载荷。经典法虽可求得某些经典问题，但远离大多数实际工程问题，经典法的主要优点是通过一类问题的解来得到对此类问题的深刻认识。

1．4本文主要研究内容

本文研究对象为倒伞型曝气机有限元分析与优化设计，倒伞型曝气机在进行试运转时，其叶片所受到的压力是最大的。叶片作为倒伞型曝气机的重要部件，其设计可靠性和合理性成为整个倒伞型曝气机设计的关键因素之一。因此需要对箱体进行有限元静态和动态分析，为故障的排除提供帮助，并为叶片结构的改进提供有关数据。本文所做的主要工作如下：

l、学习有限元数值方法，了解国际上通用的有限元分析软件，掌握有限元软件ANSYS的使用。

2、查阅有关倒伞型曝气机有限元分析的文献，吸取其中好的经验和方法，为自己的分析研究做准备，

3、利用ANSYS软件的建模功能建立叶片的有限元模型，进行叶片的静态分析，考察叶片的强度和刚度。

4、对叶片进行模态分析，获得X,Y，Z方向变形图，分析所得结果。

5、运用APDL建模，以叶片的体积(质营)为优化目标进行优化分析，判断分析的收敛性，分析优化结果。

2 曝气机工作原理和性能指标

2.1 国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点

a.表面曝气机(竖直轴)

它的主要结构如图1.1，其中图中标号:1一电机，2一叶轮，3一浮块，4一叶轮罩壳，5一导流管，6一平衡板，7一叶轮轴，8一下连接盘，9一上连接盘，10一联接长螺栓。工作时表面曝气机置于水中，电机位于水面以上，叶轮下半部位于水下，电机直接带动叶轮作高速旋转，由于高速运转产生负压，使污水池中具有活性物质的污水，不断地由导流管下部吸入，在叶轮作用下向上提升，并从上下连接盘间呈抛物线形喷出，形成水幕，把大量的空气带入水中，达到高效增氧的目的。

表面曝气机的优点是结构简单，工作可靠，维修方便。缺点是曝气效果主要局限于上层水面，气泡碎化不明显，曝气效率不高，不能进行深层曝气。

b.潜水曝气机(竖直轴)

它的主要结构如图1.1，其中图中标号:1一潜水电机，2一泵壳，3一叶轮，4一动力输出轴，5一负压罩，6一进气管，7一进水导向漏斗，8一机座，9一出水口，10一入水口。工作的时候，水下的潜水电机旋转带动离心的叶轮，通过进气管从外界吸入空气溶入水中。叶轮转动使周围的水通过出水口流到周围水域中，周围水域的水又通过进水导向漏斗和入水口流到叶轮周围，在这个过程中使空气浙江大学硕士学位论文绪论溶入到水中。潜水曝气机的优点是结构简单，维修方便，气泡碎化效果好，曝气效率高。缺点是只能用于专门的污水处理池曝气，对于软质的河床，池塘等不能安放曝气。

c.转碟曝气机(水平轴)

它的主要结构如图1，3，其中图中标号:1一曝气盘，2一空心转轴，3一齿轮式减速电动机，4一联轴器，5一轴承座。工作时，电动机带动支撑在轴承座上的空心转轴和曝气盘转动。曝气盘有一部分浸入在水中，通过转动使水域中的水借助曝气盘甩向空中，使水和空气进行混合。曝气盘的转动也推动附近水域的流动。

转碟式曝气机的优点是结构简单，服务面积大，气泡碎化效果好。缺点是安装不方便，只能用于专门的污水处理池，无法在河流，池塘，湖泊中应用。曝气效果主要局限于上层水面，无法进行深层曝气。

d.倒伞曝气机(竖直轴)

结构如下图14所示，其中图中标号:1一电动机，2一联轴器，3一减速箱，4一润滑系统，5一升降平台，6一地基平面，7一静水面，8一倒伞座，9一叶轮。

倒伞曝气机由机械动力驱动旋转，叶轮上均布的八个叶片环向推流甩水。但到目前，包括美国、德国和荷兰在内的发达国家生产的倒伞曝气机的传动机构、叶轮形状、安装方式及动力效率几乎都徘徊在原有水平，未曾有大的突破。由于搅拌叶片基本都是采用大角度倒锥、宽叶片直辐射布置。相应的搅拌和提升能力较弱，完全依靠平推能力是不可能完全阻止污泥在氧化沟中的沉降的。只有在处理水域的周边形成辐射循环外，还能形成水域的上下循环，才能更好的使空气中的氧溶入水中，让有机物、微生物和氧之间充分混合、接触，从而达到净化的目的。

要想更好的实现四周和向下的推流，形成更大的空穴，挟裹更多的空气进入，并且使气泡碎化，需要不等变径，按照一定规律排列的弧面叶片组合。经过我们初步的研究发现，变径曲面弧形叶片，按照非等变角对数螺旋线升序排列，具有更为优越的推流搅拌能力，由于叶片的流体特性，能形成载流体的旋流和喷射，从而拥有更加优良的充氧曝气性能，并且这种组合也有利于降低功率的损耗，值得进一步深入研究。

大功率倒伞曝气机的优点是结构简单，服务面积大。缺点是安装不方便，只能用于专门的污水处理池，气泡碎化效果不明显，曝气效率低。本文所研究的曝气机也是竖直轴的，综合了以上一些曝气机的优点，对工作场合没有具体限制，是一种性能非常优良的新型曝气机。其结构和工作原理将在第二章第2五节中具体阐述。

2.2 优化设计研究现状

2.2.1 优化方法学的发展与研究现状

优化设计是60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种设计方法。人们可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它己广泛应用于各个工业部门。

优化设计发展至今已经有多个分支，60年代在数学规划方法(包括线性规划和非线性规划)和电子计算机结合的基础上发展起来的最优化方法，目前最优化方法己被广泛应用。最优化设计工作包含以下两部分内容：

倒伞型曝气机有限元分析及优化设计.gif

曝气机叶片图.gif

内容简介：: 目录1 绪论 1.1 前言.1 1.2 有限元方法简述.1 1.2.1 有限元法的发展历史.2 1.2.2 有限元法在工程结构分析中的应用.2 1.2.3 有限元法的新发展.3 1.3 倒伞型曝气机的有限元分析现状.4 1.4 本文主要研究内容.52 曝气机工作原理和性能指标 2.1 国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点.6 2.2 优化设计研究现状.8 2.2.1 优化方法学的发展与研究现状.8 2.3 曝气机的结构功能及工作原理详细分析.10 2.4 曝气原理分析.12 2.5 曝气机性能评价指标的确定.143 基于ANSYS曝气机的有限元分析与优化设计 3.1 有限元软件ANSYS概述.18 3.1.1 ANSYS软件环境简介.18 3.1.2 ANSYS软件主要特点.20 3.2 倒伞型曝气机叶片标准与二维图形.21 3.3 曝气机的优化设计方法.23 3.4 倒伞型曝气机的有限元分析.23 3.5 叶片材料的选择.26 3.6 叶片的网格模型.274 总结.34参考文献.35致谢.36

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。