JXYXY01-008@倒伞型曝气机有限元分析及优化设计
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机械毕业设计全套
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JXYXY01-008@倒伞型曝气机有限元分析及优化设计,机械毕业设计全套
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毕业设计（论文）开题报告 题目 倒伞型曝气机有限元分析及优化设计 专业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 078105135 学生姓名 周梦远 指导教师 邢 普 填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日 nts 说 明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外 研究概况及 发展 趋势 （含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。 以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。 但每个专业填写的内容应保持一致 nts一、 课题依据及课题的意义 随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和 自动化方向发展。产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高。这一 切都要求工程师在设计阶段就能精确地预 测出产品和工程的技术性能，因而需要对 结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。 例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏 性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机 叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。以上所有的这些都可归结为求解物 理问题的控制偏微分方程式，但在实际中这基本上是不可能的。采用传统的力学方 法只能近似地反映其受力状况以及变形情况，远不能满足对其进行进一步分析的需 要。近年来在计算机技术和数值分 析方法支持下发展起来的有限元分析 (FEA， Finite Element Analysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的 途径，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的主要手段。从“有限元”这个名 词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历 史，其理论和算法都已经 R趋完善。有限元分析是一种预测结构的偏移与其他应力 影响的过程，由于有限元法的一个独特的优点是可以求解结构形状和边界条件都任 意变化的力学问题。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离 散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分 析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实 际工程中需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。随着计算机技术的普及和 计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视， 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所 有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、 汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等 各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，帮助用户解决了成千上万个工 程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流 行的分析软件主要有 NASTRAN、 ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、 MAGSOFT、 cosMOs等。其中 ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公 司之一的美国 ANSYS公司开发，是集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于 nts一体的大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级 CAD 工 具之一。 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用 CAD软件的集成使用，即在用 CAD软件完成零件和部件的设计后，能直接将模型传送到 CAE软件中进行有限元 网格划分并进行有限元分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新在 CAD 软件中进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平以及效掣 4J。 为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开 发了和著名的 CAD软件 (例如 Pro ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、 SoildWorks、 IDEAS、 Bentley和 AutoCAD等 )相应的接口。有 些 CAE软件为了实 现和 CAD软件的无缝集成而采用了 CAD的建模技术，如 ADINA软件由于采用了 基于 Parasolid内核的实体建模技术。能和以 Parasolid为核心的 CAD软件 (如 Unigraphics、 SolidEdgv、 SolidWorks、 Pro I )实现真正无缝的双向数据交换。因 此 ANSYS也能与多数 CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro Engineer, NASTRAN， Alogor,I-DEAS， AutoCAD等，并且已成为现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 通过与 CAD软件的无缝连接及集成使用，即在用 CAD软件完成零件和部件的 结构设计后，以有限元分析软件为平台，通过建立产品的有限元分析模型，进行有 关的分析计算，并根据分析结果对产品进行优化设计。因此在设计阶段较精确的预 测出产品的各项工程技术性能指标，如果分析的结果不符合设计要求，则重新进行 设计和分析计算，直到满意为止。从而提高设计水平和效率，降低产品的成本。 就 CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。 通过 CAE与 CAD、 CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样 性、复 杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增加了企业的市场竞争力。计算机数值模 拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中已经普遍应用。 二、 国内外 研究概况及 发展 趋势 （含文献综述 ） 我国在 九五 计划期间大力推广 CAD 技术，机械行业大中型企业 CAD 的普及率从 八五 末的 20%提高到目前的 70%。随着企业 CAD 应用的普及，工程技术人员已逐步甩掉图板，而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析nts（ CAE， Computer Aided Engineering）方法和软件将成 为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件与 CAD 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性； 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广 CAD 技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开 有限元分析计算， FEA 在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。下图是美国旧金山海湾大桥地震响应计算的有限元分析模型。 发展方向及重大进展 国际上早 20 世纪在 50 年代末、 60 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（ NASA）在 1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 NASTRAN 有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展 了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的 ASKA、英国的 PAFEC、法国的 SYSTUS、美国的ABQUS、 ADINA、 ANSYS、 BERSAFE、 BOSOR、 COSMOS、 ELAS、 MARC 和 STARDYNE 等公司的产品。当今国际上 FEA 方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征： 1 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 nts 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而 且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形，而塔的变形又反过来影响到气流的流动这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓 流固耦合 的问题。 2 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑 和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如 MARC、 ABQUS 和 ADINA 等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这 些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 3 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含 10 万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说 ，工程师在分析计算一个工程问题时有 80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调 可视化 的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的 GUI（ Graphics ntsUser Interface） ,使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 4 与 CAD 软件的无缝集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用 CAD 软件的集成使用 即 ,在用 CAD 软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的 CAD 和 FEA 软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的 CAD 软件（例如 Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、 IDEAS、 Bentley 和AutoCAD 等）的接口。 5 在 Wintel 平台上的发展 早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机（主要是 Mainframe）上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站（ EWS， Engineering WorkStation）为平台，它们的共同特点都是采用 UNIX 操作系统。 PC 机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的 PC 机采用16 位 CPU 和 DOS 操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过 1 万阶方程。 Microsoft Windows 操作系统 和 32 位的 Intel Pentium 处理器的推出为将 PC 机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到 Wintel 平台上。下表列出了用 ADINA V7.3 版在 PC 机的 Windows NT 环境和 SGI 工作站上同时计算 4 个工程实例所需要的求解时间。从中可以看出最新高档 PC 机的求解能力已和中低档的 EWS 不相上下。 为了将在大中型计算机和 EWS 上开发的有限元程序移值到 PE 机上，常常需要采用Hummingbird 公司的一个仿真软件 Exceed。这样做的结果比较麻烦，而且不能充分利用PC 机的软硬件资源。所以最近有些公司，例如 IDEAS、 ADINA 和 R&D 开始在 Windows 平nts台上开发有限元程序，称作 Native Windows版本，同时还有在 PC 机上的 Linux 操作系统环境中开发的有限元程序包。 国内发展情况和前景 1979 年美国的 SAP5 线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到 1981 年 ADINA 非线性结构分析程序引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都 迎刃而解了。大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少，大约只有杭州汽轮机厂的 Siemens7738 和沈阳鼓风机厂的IBM4310 安装有上述程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。 PC 机的出现及其性能奇迹般的提高，为移植和发展 PC 版本的有限元程序提供了必要的运行平台。可以说国内 FEA 软件的发展一直是围绕着 PC 平台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户（ 100 家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的 FIFEX95、 北京大学力学与科学工程系的 SAP84、中国农机科学研究院的 MAS5.0 和杭州自动化技术研究院的 MFEP4. 0 等。 但正如上面所述，国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对 PC 平台不屑一顾转变为热衷发展，对国内 FEA 程序开发者来说发展 PC 版本不再具有优势，而应该从下面几方面加以努力： 1 研究开发求解非固体力学和交叉学科的 FEA 程序 经过几十年的研究和发展，用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟，现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科 的问题。由于国内没有类似功能的商品化软件，所以国外的软件就卖得非常贵。为了破这种垄断局面，我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。因为流体力学问题远比固体复杂得多，而且很少有现成的软件可以借鉴，所以需要投入大量的人力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支持。 2 开发具有中国特色的自动建模技术和 GUI nts 开发建模技术和 GUI 的投入比前述课题要少得多，但却可以大大提高 FEA 软件的性能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作，但是由于当时 PC 机上的图形支撑环境有限，所以开发的效果都不甚理想。 Windows 中提供了 OpenGL 图形标准，为在 PC 机上应用可视化图形技术开发 GUI 提供了强有力的工具。 OpenGL 是当今国际上公认的高性能图形和交互式视景处理标准，应用它开发出来的三维图形软件深受专业技术人员的钟爱，目前世界上占主导地位的计算机公司都采用了这一标准。正如前面所述，近年来国外有的 FEA 程序已抛开仿真软件，直接在 Windows 平台上开发有限元程序。杭州自动化技术研究院 1997-1999 年采用OpenGL 图形标准和相应的 Visual C+等编程工具，在 PC 机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。它能直观地通过对 菜单 、 窗口 、 对话框 和 图标 等可视图形画面和符号的操作，自动建立有限元分析模型，并以交互方法式实现计算结果的可视化处理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精确性，也便于用户学习和掌握。 3 与具有我国自主版权的 CAD 软件集成 前面已经讲过，当今有限元方法的一个重要特点是和 CAD 软件的无缝集成。作为我国自行开发的 FEA 程序，首先要考虑和我国自主版权的 CAD 软件集成。因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件 ，所以要和具有三维造型功能和 CAD 软件集成，使设计和分析紧密结合、融为一体。目前国内二维设计的绘图软件较多，但是真正具有三维造型功能的 CAD 软件只有浙江大学大天电子信息系统工程公司的 GS-MCADII。该软件已在机械、航天、轻工等行业和科研单位得到了广泛的应用，列为国家 863高技术 CIMS 主题主推产品，并获得全国第二届自主版权 CAD 软件评测最高奖。目前我们正努力实现自己的 FEA 软件和 GS-MCADII 的无缝集成，争取打破国外 CAD 集成软件系统一统天下的局面。 nts三、研究内容及实验方法： 用 ANSYS 对倒伞型曝气机的叶片进行有限元建模分析，引用其结果对叶片进行优化设计。（ 1）用 CAD 建立叶片的二维图形。（ 2）用 UG 建立叶片的三维立体模型。（ 3）把三维图用 IGES 格式导入 ANSYS 进行有限元分析。（ 4）对其结果优化设计。 主要内容： 1、 有限元软件 ANSYS 的概念 2、 ANSYS 软件主要特点 3、 曝气机的结构功能及工作原理详细分析 4、 ANSYS 曝气机的有限元分析与优化设计 四、 目标、主要特色及工作进度 : 1、 查找资料， 外文资料翻译（不少于 6000 字符） ， 开题报告 第 1 周 -第 2 周 2、 运动及动力参数计算 第 3 周 -第 4 周 3、 用 UG/Solidworks 对系统进行实体建模和设计 第 5 周 -第 6 周 4、 有限元分析（ ANSYS） 第 7 周 -第 9 周 5、 曝气机优化设计 第 10 周 -第 11 周 6、 绘制零 、部 件图，装配图 第 12 周 -第 13 周 7、 毕业论文撰写 第 14 周 -第 16 周 8、 答辩准备及论文答辩 第 17 周 -第 17
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