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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南昌航空 大学科技学院学士学位论文 1 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。 数值法有能量法、边界元法、有限元法等。其中有限元法 (Finite Element Method， FEM)，是近三、四十年随着计算机的发展而发展起来的戍用于各种结构分析的数值计算方法。它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干有限单元的集合体，通过单元分析和组合，得到一组联立代数方稃，最后求得数值解，它通过采用多种规则形状的单元米处理实际上无限制的任何问题。这些单元可组合成近似的任何不规则边界。类似地，任何类型的载荷 和约束条件也可提供。有限元法是工程上运 用 最为成功、最为广泛的一种数值计算法。 1 2 1有限元法的发展历史 从数学角度来看，有限元法基本思想的提出，可以从 1943年 Courant的开创性工作nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 2 为标志。他第一次尝试应用在三角形区域上的分片连续函数和晟小位能原理相结合，来求解扭转问题。从应用角度来看，有限元法的第一个成功尝试，是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是 Turner、 Clough等人在 1956年分析飞机结构时得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。他 们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。 1960年 Clough迸一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认识有限单元法的功效。 1960年以后，随电子计算机的 广 泛应用和 I发展。有限元法的发展速度才显著加快。半个世纪以来，理论上，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。实践上，有限元法已经应用于许多学科，已由弹性力学平面问题扩展剑空间问题、板壳问题。由静力平衡问题扩展剑稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合 材料等，从嗣体力学扩展到液体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合 1 2 2有限元法在工程结构分析中的应 用 传统的结构分析往往局限于简化条件下用解析法求解问题，即将产品结构简化为许多便于计算的“平面结构”或进行截断、分解成各个单一的零部件。如。轩系、柱，板、壳、块体”等运 用 材料力学、弹塑性力学等相应理论进行分析，从中得出一些计算公式，再按公式计算各处参量。由于作了过多地简化，计算模犁构造得非常简单，计算结果往往粗略，与实 际情况相著较大。而有限元方法却能对档体结构建立精确模型进行分析，如飞机、船舶、桥梁、大坝、压力容器，海洋平台等。它的主要优点是能较准确描述铍分析物的结构的实际形状、约束条件和受力特征。在正确建模的基础上，不仅可以得到较准确的计算结果而且还可对整个结构的麻力、应变和位移分布、模态等进行可视化观察。 由有限元分析所得到的计算结果可作为结构优化的基础。采用有限元分析可以取代以往的以试验方法所进行的力学分析，与试验验证相比，有限元应力分析更容易和更准确地得到诸如应力分布、应力水平、屈服区域等；同时有限元方法可以计算 出构件内部nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 3 的应力 (这对试验方法来说非常凼雉 )，人们可以按照某一点、某一条线或某一个平面进行强度评定，使得结构的设计和改进具有针对性，达剑既安全又经济的目的。它不但可以解决工程中的线性问题、非线性问题，如塑性、屈曲、蠕变、热塑性、过屈曲、断裂、冲击、穿透、疲劳、流 固 耦合、刚柔体耦台等。而且对于各神不同性质的材料，如备向异性，各向同性、粘弹性和粘塑性材料以及流体均能求解。另外，对 过 程中展有普遍意义的非稳态问题也能求解，甚至还可以模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸、燃烧和应力波的传播。有限元法也有不足之处，例如对 一特殊问题只能求得一个具体的数值结果，不能得到不同的参数变化时系统的反馈；而且构造一个对真实问题尽可能逼近的有限元模型需要丰富的有限元建模经验和对实际问题的准确判断。这不仅仅是有限元法才有的缺点，而且也不影响有限元法在工程技术领域的广泛应 用 。 到目前为止，人们己非常成功地朋有限元法实现了各式各样工程问题的计算。在机械工稃中，已经计算分析了机床、齿轮、汽车变速器、内燃机曲轴、水轮机叶片、汽车车架等。所有这些应用都大大地为设计人员提高产品质量。加快新产品研制步伐，节约人工与材料无不起到不可估鼙的作用，由此产生 或带来了巨大的社会效益和经济效益。与此同时应运而生的有限元分析软什多达几百种，其中国内外著名的有 ANSYS、NASTRAN， Algor、 COSMOS Works、 ABAQHS、 ASKA、 I DEAS等包含了各种条件下的有限元分析程序，它们使用方便，计算精度高其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。 1 2 3有限元法的新发展 计算机硬件的发展是有限元法赖以发展的基础，其它领域的一些新思想、新方法已开始引入有限元法。计算技术的最新发展特别是图形和图像处理能力、并行计算能力从根本上改 变了有限元法在各个领域中应用的深度和广度。 l、随机有限元法。随机有限元法是将概率论、随机过程和数理统计引入有限 元 法，使其数一学模型更接近实际，因为它考虑了材料、尺寸、形状、边界条件、载荷、工作环境等参数所具有的随机性、分散性和 I时间性。随机有限元主要应 用于 计算机辅助可靠性设计分析、随机过程和可靠性分析应用最广泛的疲劳寿命预估和裂纹扩展问题。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 4 2、模糊有限元法。由于有限元建立的结构模型其输入信息 (如材料性质、几何形状、边界条件、载荷信 息 )方面的不确定性和模糊性，而将模糊数学引入有限元法。模糊有限元法尤其适用于优化设计分析。 3、自适应有限元法。自适应有限元法是一种根据中间计算结果自动调整算法以改进求解 过程 的数值方法。主要有误著估计、白适戍网格改进、非线性问题中载荷增量的自适应选取及瞬态问题中时间步长的自适麻调帮。 4、网格自动生成专家系统。由于给定问题的计算效率和计算结粟的精确度在相当挥度上取决于计算模型是否合理，包括单元类刑的选用、节点的布局、网格线的生成、载荷的简化以及边界条件的模拟等。冈此，有限元计算的单元节点配置和划分需要相对多 的经验和正确的判断，网络自动生成专家系统就冈此而发展起来。 5、基于知识的有限元法。基于知识的有限元法就是基于人 ：智能知识的专家系统有限元法。该系统输入专家的经验年专 K的知识、诀窍，建立了以有限元方法为基础的结构分析辅助系统 智能化前端系统和模型化系统，建立了综合模型化、数值求解和对数值结果的解释、评价于一体的基丁知识的新型分析系统。这些系统可帮助结构分析人员初选模型自动修改模型和选择用在分析中的合适算法。 6、并行有限元算法。因大型并行计算机和可以作并行处理的微机网络的出现，导 致了有限元的分析 方法和求解策略的相应变化。为了适应并行处理的多指令，多数据结构，发展了有限元分析的并行化过程，包括有限元分析原有的各个步骤：生成单元矩阵；组装总体方程；求解方 程 组；给出节点位移、速度和加速度；单元的应变、应力及其它响应。运用并行有限元计算可成倍提高有限元法在传统串行计算机上的运行速度，故它是高效能的，使得许多串行计算机和串行算法不能求解或求解不好的大型和巨型复杂工程问题能得到满意解答。 1 3倒伞型曝气机 的有限元分析现状 虽然在工作中 曝气机 破坏的可能性比较小，但是它的刚性对 曝气机 运转的平稳性起着决定作用 ，而且影响 叶片 工作状况。文献 9用有限元法建立了 Q235A材料的 叶片 静力学模型，用 I D E A S软件对 叶片 结构进行了分析，指出了 叶片薄弱 的原因改造了叶片 结构，其强度有了显著的提高 ，制 造成本有较大的降低，并验证了原有 Q235A钢材nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 5 的性能。文献 10 应用几何造型设计条件系统 (MDT)建立了 MX l型 曝气机 的实体模型，通过计算得出 叶片 的受力情况，在有限元分析条 件 ANSYS系统中进行了有限元分析，实践证明，使朋 MDT ANSYS集成对 叶片 建模和受力分析对指导现场作业有重要意义。文献 11着重介绍了 曝气机和叶片 等的几 种现代设计方法，通过这些方法可使 曝气机 的设计、制造水平得到极大提高。文献 12运用有限元二维实体元素与平板壳元素组合，建立了 曝气机 的结构力学分析模型，并对 Q235A钢材的叶片 进行了结构强度和刚度分析。文献 13对 倒伞型曝气机的叶片 建立了计算模型，用有限元法计算了强度和刚度，获得了 曝气机叶片 在最大载荷 作用 下各部位的应力和变形的分布情况。得到了 叶片 在正转 情况下的应力、变形情况以及 叶片 崩有频率和振型，并对原有 叶片 进行了结构优化，使 曝气机 的重量有较大 减 轻， 叶片 结构更为合理。 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。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 6 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， 10nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 7 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。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 8 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 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 9 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： 1.问题的物理模型转变为数学模型。建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。目标函数是设 计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式。 2.采用适当的最优化方法，求解数学模型，可归纳为在给定的条件 (例如约束条件 )下求目标函数的极值或最优问题。 但是随着现代工程设计中系统的复杂性不断增加，系统精确表征的能力就减小，在这些复杂事物的众多因素中也包含着不确定性，除了可以用己经成熟的概率论和数理统计方法研究随机事件现象以外，还有更为普遍的不确定性，即模糊性，对于这类问题不可能用传统的精确数学来解决，必须有一门独立的学科来描述和处理模糊性的客观事物，这就诞生了“模糊数学”。该学科由美国控制论专家 Caiiofmia 大学的 L.AZadeh教授 (首先提出了“模糊集合论” )所创立。模糊技术在工程领域的应用则是以英国工程师 Mal五 ndnai于 1974年成功开创了蒸汽机车的模糊控制而解开应用的新篇章。此后又有日本学者山川烈研究成功一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，成功地用于汽车速度的自动控制。仅 1989年和 1990年就申报了有关模糊技术的专利 2000项。我国的模糊数学研究工作开始于 20世纪 70年代，首篇论文是张绵文，潘雪海的弗齐集合论，发表于 1976 年第 9期计算机与应用数学杂志上。 1978 年 10月 13日在光明日报发表介绍一门新的数学一一模糊数学的文章。 1980 年 n月汪浩等译著的模浙江大学硕士学位论文绪论糊集在系统分析中的应用一书出版。 1981年模糊数学杂志创刊。 1982年成立了中国系统工程学会模糊数学与模糊系统委员会，迄今为止，该委员会已召开了九次年会。我国还先后三次举办国际会议。尽管如此，我国在nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 10 模糊技术的应用开发上和国外相比还是有很大差距。进入 90年代后，国家教委，国家自然科学基金委员会，国家经贸委先后投入总额上亿元的资金发展模糊技术的应用研究。目前我国在模糊数学理论方面的差距正在缩小 ，随着国家对应用领域的越来越重视，相信我国在利用模糊方法解决工程优化问题方面的差距也会越来越小。 2.3 曝气机的结构功能及工作原理详细分析 2.3.1 曝气机的结构功能 如图 3.3.1所示，本文需要优化的曝气机的结构主要由以下四部分组成 : 图 3.3.1 立式倒伞曝气机结构示意 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 11 图 3.3.2 卧式倒伞曝气机结构示意 图 3.3.3 倒伞曝气机安装 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 12 图 3.3.4 倒伞曝气机安装尺寸 2.4 曝气原理分析 通过对倒伞型表曝机产生的水流特点及曝气过程的分析 ,可依据离心泵、等角速 度旋转液体、搅拌混合系统、明渠流中的水跃等基础理论对倒伞表曝机的曝气机理及性能参数进行定性分析。 1） 离心泵叶轮 倒伞型表曝机工作时 ,其叶轮实际上与开式轴向吸液的离心泵叶轮极为相似 ,倒伞叶片相当于离心泵叶轮的叶片。根据离心泵的叶轮理论 ,在功率消耗、抛撒的水流密度为一定值的条件下 ,流量与水压成反比关系。按离心泵的基本方程 (欧拉方程 ) ,对于轴向吸液的离心泵 ,液体进入叶道前为静止流体 (进口速度为零 ) ,离心泵的理论扬程 (压头 )H仅取决于叶片出口处的液流参数 ,即只要确定了倒伞型表曝 机的结构及运行参数 ,即可对其推动的流量与压头进行定性和定量分析。 2） 等角速度旋转液体自由表面平衡 根据等角速度旋转液体自由表面方程 ,真空压 3强的大小取决于旋转角速度的大小 ,在转轴中心处 (r=0)真空压强最大。倒伞型表曝机搅动沟内水体也可近似看作是等角速度旋转液体自由运动 ,即在倒伞转轴中心处产生的真空压强最大。因此可在叶轮结构上采取使叶轮旋转时产生较大的真空度等措施 ,提高表曝机的曝气效果。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 13 3） 搅拌混合系统叶轮 倒伞型表曝机工作时相当于一个液体搅拌混合系统 ,可看作是一个有 8叶片的透平 式叶轮搅拌器根据液体搅拌混合系统理论可知 ,增加表曝机的叶轮直径并降低其速度 ,可获得较大的流量 (Q)和较 4小的压头 (H) ,实现水体的充分混合 。此外倒伞型表曝机还可通过建立的关联式 (功率曲线 ,涉及叶轮直径、转速、水体粘度和密度以及搅拌槽构件参数等 ) ,对叶轮不同直径、不同转速时的功率进行计算和校核 ,以获得最佳的 Q /H值。 4） 明渠流中的水跃 倒伞型曝气叶轮工作时 ,由于叶轮的旋转及搅动 ,水流从叶轮周边流出时形成翻滚的水流 ,这种水力现象可近似看作明渠流中的水跃 ,其上部为饱掺 3空气的表面旋滚 ,下部为急剧扩散的主流 。倒伞叶轮旋转时形成的水流跃起区域 ,按其特点的不同可分为空气吸入点 (水跃头部 )、剧烈掺混区、乳化泡沫区和涡旋剪切区。在水跃头部 ,由于射流、涡旋等作用形成了负压区 ,使大量的空气被吸入水体然后在剧烈掺混区内 ,吸入的空气在涡旋的剪切下形成均匀细密的气泡 ,并与紊动的水体充分混合最后 ,一部分 (较大粒径 )气泡在浮力的作用下升至自由表面的乳化泡沫区 ,并进入大气 ;另一部分 (细小 )气泡则在涡旋剪切区随主流水体进入曝气池内 ,继续进行混合和扩散。水跃头部空气的吸入 量取决于从急流到缓流的流速差 (v1 - v2 ) ,流速差越大则空气的吸入量越 5大 。对倒伞叶轮来说 ,当水体流入叶片间的流道后 ,在叶片的推动下被迅速加速到 v1 ,加速后的水体在向外传递的过程中由于受到阻力的影响 ,开始减速 (速度减至 v2 )并形成水跃。因此增大叶片的推力 ,使流速差 (v1 - v2 )加大 ,可提高空气的吸入量。 设备整体采用立式结构，安装方便、占地面积小，不易被溅出的污水所腐蚀。驱动机构传动精度高，运转平稳，机械效率高，噪声低，设计使用寿命超过 10 a，长期运行故障率小； 性能优良，质量可靠。倒伞型叶轮经优化设计，具有搅拌能力大、推流能力强、充氧量高、处理效果好、不挂脏等优点。倒伞的升降机构为平板式结构，升降动程大，结构简单，调节方便。整机现场安装简便 ,倒伞伞体、倒伞主轴及减速机输出轴nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 14 之间可实现自动对中。设备可根据用户需要配置变频调速装置来调节叶轮的转速，以获得工艺要求的充氧量，降低能耗。 2.5曝气机性能评价指标的确定 根据曝气机所需要实现的功能，对曝气机性能的评价主要参照技术一经济评价法然后结合实际的使用情况对性能指标按照重要程度进行评价。首先是技术性指标，主要有单位时间内，一定功率下，一定面积和水深的水槽内，曝气机的清水充氧量，服务面积大小，最大插入水深，曝气机全重。经济性指标按照重要程度依次是制造成本，运输维修费用等 ;此外还有一些环保指标，例如噪音大小等等。如表 3.5.1 所示，是本文要研究的这一系列的曝气机的主要性能指标，这些数据由厂家根据试验情况测得。 表 3.5.1曝气机主要性能指标 其中清水的充氧量和服务面积都是非常重要的指标，也是曝气机设计的关键性指标。清水的充氧量是在一定功率下曝气机一小时的充氧量，依据仪器测得。服务面积是指以曝气机轴心 为中心，以气水混合流到达的最远位置处为半径，该半径范围内的圆面积。因此这两个指标是本文所研究的最重要的两个指标，可以浙江大学硕士学位论文曝气机性能评价指标的确定这么说 :一个一定功率的曝气机在单位时间内充氧量越多，服务面积越大其性能就越优越。当然还要考虑其经济性指标，由于曝气机运行时其传动轴是在污水中工作，轴承安装处虽然有密封圈防止污水泄漏，但从运行的情况来看保持100%的密封是不可能的，轴承的损坏还与轴系的设计有关。轴承的更换周期就是一个重nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 15 要的经济性指标。另外一个比较重要的经济性指标就是制造成本和运输费用。 其中制造成本和结构设计有关，运输费用和整体重量有关。因此可以说一个曝气机其轴承更换周期越长，加工成本越低，重量越轻其经济性指标就越好。 对于优化后的曝气机性能指标也需要给定一个量化的评价指标，以直观的将优化前后的曝气机各项性能进行对比，为此介绍一下评分法。之前需要注意以下几点 : 1.评分标准 (评价尺度 )要能度量评价对象与给定要求的符合程度 ; 2.评分标准 (评价尺度 )应概括较大的范围，能对所有方案做出评价 : 3评分标准 (评价尺度 )应准确、明了、不致引起误解。 评分标准有两种表示方法，一种是 5分制，另一种是 or分制，在特征尚不清楚的时候，可以采用 5 分制 ;在评价对象较为具体，特征较为明显的时候，可以采用 10分制，采用 10分制的评分标准评分显得更为细致。本文的评价对象是方案，也就是说评价是在方案设计阶段进行的，具体化程度比较低，所以采用 5分制的评分标准。 5分制和 10分制两种评分标准的内容如表 3.5.2 所示。 表 3.5.2 评分标准 评分法是根据规定的标准用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。如有多个评价目标时，则先分别对各目标评分，再经处理求得方案的总分。其中总分的计算方法可以有多种，包括 分值相加法、分值连乘法、均值法、相对值法或有效值法(加权积分法 )。其中综合考虑评价目标分值及加权系数的有效值作为方案的评价依据较合理，应用的也最为广泛。各种记分方法和特点见表 3.5.3所示。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 16 表 3.5.3 总分计算方法和特点 表中 :Q-方案总分值 ;N-有效值 ;n-评价目标数 ;Pi-各评价目标平分值 ;g1-各评价目标的加权系数 ;QO-理想方案总分值。 本文采用加权记分法计算优化前后的曝气机性能评分，以验证优化结果的可靠性和有效性。 加权系数是确定目标的重要性系 数，主要在定量评价时用以考虑各评价目标重要程度。加权系数是反映评价目标重要程度的量化系数，加权系数大，意味着重要程度高。为了便于分析计算，一般取各评价目标加权系数 g12.10 叶轮浸没深度 mm 参见附录 A 表 3.1 倒伞型表面曝气机基本参数 图 3.1 叶轮的参数化模型 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 22 图 3.2 叶片的二维图 图 3.3 倒伞曝气机总成二维平面图 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 23 3.3 曝气机的优化 设计方法 曝气机具有充氧、推流和搅拌性能 ,反映这些性能的主要指标是充氧动力效率和底部流速。其中最主要性能指标是充氧动力效率 其中， 其中 , OR 是在室温和一个标准大气压下的氧气传输速率 (mg/L /h) , 是试验时的氧气饱和浓度 ,这里假设为常数。 为标准条件下的氧气传输体积系数 ，表达式为： P为搅拌功率 ( kW) ; P /V为单位体积的功率 其中 , Q为流量 , 为出口射流速度 ， 为射流厚度。 速度与叶片的流线、厚度关系密切 ,而且叶片的流线也是影响搅拌功率的一个主要因素。因此 为了更好的研究叶片的流线和外形 ,从叶片的应力应变研究入手。对叶片的形状和厚度进行优化设计。 因此 ,对于搅拌叶片的优化设计关系到整个曝气机性能的优化。 本文采用的叶片优化方法 :运用有限元分析软件找出叶片的应力危险区 ,以有目的性的去实施补救措施 , 对于受力变形大的区域 ,可以加厚叶片或采用加强筋板 ;对于应力比较的小的区域可以采取相对较薄的设计 , 减轻整机的质量 ,降低制造成本 ,并提高工作效率。 3.4 倒伞型曝气机的有限元分析 设单元内任意点的位移函数为 u ( x, y, z) , v ( x, y, z) , w( x, y, z)或 利用节点处的边界条件 ,以 a表示的节点 位移 并写nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 24 成： 这里 , 为相应矩阵 ,代入 d = Sa得用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式 : 根据位移插值函数 , 由弹性力学给出的应变和位移关系 , 可计算出应变为 : 式中 , B 表示应变矩阵。相应的变分为 由弹性力学物理关系 ,得应力与应变的物理关系式为 式中 , D是弹性矩阵。 根据虚位移原理 : 可得单元节点力与位移之间的关系式 : 式中 , Ke 是单元特性 ,即刚度矩阵 ,并可写成 把各 单元按节点组集成与原结构相似的整体结构 ,得整体的节点力与节点位移的关系式 ,即整体结构的平衡方程 式中 , K表示整体结构的刚度矩阵 , f表示整体荷载列阵 , q表示整体结构所有节点的位移列阵 ,对于结构静力分析载荷列阵 f可包括 : 式中 , (体积力转移 ) , (表面力转移 ) , 可采用不同的计算方法解有限元方程 , 得出节点的位移。需要注意的是 ,在求解之前必须对结构平衡方程组进行边界条件处理。然后再解出节点位移 q。 在计算出各单元的节点位移后 , 利用式 ( 6)和 ( 8)即可求解出相应的节点应力。 本文选用 ANSYS作为分析平台对叶片工作过程进行 有限元分析。其在 ANSYS的叶片命令流如下： nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 25 !/filname,Blade,1 !定义分析文件名 /TITLE,Static Analysis for a Blade !定义标题 FINISH !导入叶片 IGES格式的几何模型 !=开始有限元模型的建立 /PREP7 !进入前处理器 ET,1,SOLID92 !定义单元类型为 solid92单元 MP,EX,1,2.06E5, !定义材料弹性模量 MP,PRXY,1,0.3, !定义材料泊松比 MP,DENS,1,7.8e-6 !定义材料密度 ESIZE,40,0, !设置单元尺寸大小 TYPE,1 !选定划分网格的单元类型 MAT,1 !选定划分网格的材料类型 vsel,all !选择所有实体 VMESH,all !划分所有实体 ,生成网格 FINISH !=完成有限元模型的建立 !=有限元模型的边界条件的施加和分析求解 /SOL !进入求解器 ANTYPE,0 !设置分析类型为静力分析 CSKP,11,0,120,123,163,1,1, NSEL,S,LOC,X, D,ALL, , , , , ,ALL, , , , , nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 26 CSKP,11,0,33,34,57,1,1, NSEL,S,LOC,Z, D,ALL, , , , , ,ALL, , , , , CSKP,11,0,261,259,235,1,1, NSEL,S,LOC,Z, D,ALL, , , , , ,ALL, , , , , !选择要约束的节点 ,并约束所有位移 ALLSEL,ALL SFA,39,1,PRES,0.05 SFA,30,1,PRES,0.05 !在几何面上施加分布压力 ALLSEL,ALL SOLVE !求解计算 FINISH !完成 save !保存所有文件 !=完成静力分析的求解计算 !=结果查看 /POST1 !进入后处理器 !PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 !显示变形分布云图 PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力分布云图 3.5 叶片 材料的选择 叶片材料 Q235A钢材 , 密度 7. 85 103 kg/m3 , 标准： GB/T 700-1988 化学成份： nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 27 碳 C ： 0.14 0.22 硅 Si： 0.30 锰 Mn： 0.30 0.65 硫 S ： 0.050 磷 P ： 0.045 铬 Cr：允许残余含量 0.030 镍 Ni：允许残余含量 0.030 铜 Cu：允许残余含量 0.030 力学性能 抗拉强度 b (MPa)： 375 460 屈服强度 s (MPa)： 16时 :235; 16 40时 :225; 40 60时 : 215; 60 100 时 : 205; 100 150 时 : 195; 150时 : 185 伸长率 5 (%)： 16时 :26;16 40 时 :25;40 60时 :24;60 100时 :23;100 150时 :22;150时 :21 3.6 叶片的网格模型 Unigraphics NX提供了与 ANSYS DesignSpace 双向参数互动的嵌入式接口，有助于工程意识强烈、 CAE 背景薄弱，且熟悉 CAD 结构设计的人员使用，使设计人员很方便地进行自适应映射网格划分、工况加载、单位制自动换算、分析求解、计算报告生成等工作。在完成覆盖件产品设计后，由于产品包含多个自由曲面特征，如采用传统的 IGES格式传递数据，在 ANSYS环境下还需要进行大量的修补工作。利用 UG NX的曲面缝合（ Sew Surface）功能， 可以快速方便地得到完整的可供 CAE分析使用的连续曲面，如图 3(d)所示为缝合输出后，在 DesignSpace 环境下划分的网格模型和重力作用下的变形分析。其有限元网格模型包含 44352个单元（ Element）和 45668 个节点（ Node）。对于 SMC复合材料覆盖件的分析，由于 DesignSpace目前不支持复合材料，因此需要和ANSYS交换数据来实现其分析结果的提取。 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 28 图 4.5 有限元模型 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 29 图 3.6 施加约束的有限元模型 3.5.1载荷处理和边界条件的确定 根据已知受力情况和大小对叶片施加边界条件个载荷，图中箭头代表矢量力 图 3.7 边界条件图 3.5.2 叶片结构应力分析 有限元的计算，就是将形状复杂以及受力情况复杂的零件化分为有限数目的单元，再分别计算这些单元的受力和变形情况，然后将这些单元整合起来，就形成了整个零件的受力变形图。 3.5.2.1 叶片应力和变形分析 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 30 图 3.8 总位移云图 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 31 图 3.9 X方向变型图 图 3.10 Y方向变型云图 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 32 图 3.11 Z方向变型云图 图 3.12 等效应力云图 nts南昌航空 大学科技学院学士学位论文 33 3.5.2.2 计算结果与分析 1） 变形分析 图 5.8显示了载荷作用下 叶片 的变形云图。从图 5.8可以看出 ,载荷作用下 叶片 的 最大位移 达到 5.726mm 左右。 叶片 变形较大的地方主要 为叶片的尖端部位 ,此处 手较大扭矩 。因此 ,在 叶片 的设计制造中 采取一些措施防止叶片过度变形 至关重要。 2） 应力分析 载荷作用下气瓶的应力强度云图如 图 5.12所示。从图 5.12 可以看出， 叶片总体 应力分部比较均匀。 叶片 应力分布图显示 ,最大应力发生在 叶片下部的圆弧部位和叶片的折弯板根部 ,应力分布见图 5.12, 最大应力 213.09 MPa。 叶片尖端 和 幅板 的应力值均较低。 通过对 曝气机叶片 的有限元分析 ,获得了 叶片 的应力
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