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）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 倒伞形曝气机有限元分析 及优化设计 II、毕 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 1.利用 ANSYS 软件对倒伞形曝气机进行有限元分析； 2.利用有限元分析的结果对其进行优化设计； III、毕 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 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 nts 8 .答辩准备及论文答辩 第 17 周 -第 17 周 、主 要参考资料： 【 1】 杨明忠 ,朱家诚主编 .机械设计 M.武汉 ,武汉理工大学出版社 ,2001.10 【 2】 邵立新 ,夏素民 ,孙江宏等主编 .Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中文版 M.清华大学出版社 ,2007.6 【 3】 天津大学工业机械手编写组 .工业机械手设计基础 M.天津科学技术出版社 ,1980 年 【 4】 3000 亿污水处理投资 新浪网 【 5】 邢普等 非等角对数螺旋线搅拌叶片的实验研究 工程设计学报 2008.2 【 6】 倒伞型表面曝气机 JB/T 10670-2006 行业标准 【 7】 钱易 清洁生产与可持续发展 节能与环保 2002 年 第 07 期 【 8】 Kasco. Marine Aerators Wastewater Treatment Aeration Systems Aeration Equipment， Circulators, 2007.3 Water Circulators, 2007.3 航空与机械工程 系 机械设计制造及其自动化 专业类 班 学生（签名）： 填写日期： 2011 年 01 月 03 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械设计制造及其自动化 系主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 nts 毕业设计（论文） 题目 倒伞型曝气机有限元分析及优化设计 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 填 表 日 期 20* 年 6 月 1 日 nts 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 倒伞形曝气机有限元分析及优化设计 II、毕 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 1.利用 ANSYS 软件对倒伞形曝气机进行有限元分析； 2.利用有限元分析的结果对其进行优化设计； III、毕 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 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 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 nts 8 .答辩准备及论文答辩 第 17 周 -第 17 周 nts 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 班级学号 学生姓名 指导教师 填 表 日 期 20* 年 3 月 1 日 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、nts 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（ 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。 nts 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 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nts 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 User 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nts 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nts 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 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周 nts 五、参考文献 1 王昆 机械设计课程设计 北京 高等教育出版社 2006 2 濮良贵 机械设计 北京 高等教育出版社 2007 3 倒伞型表面曝气机 JB/T10670-2006 4 邢普等 非等角对数螺旋线搅拌叶片的实验研究 工程设计学报 2008.2 5 D. R. Salgado and F. J. Alonso. Optimal machine tool spindle drive gearbox design. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 37, Numbers 9-10 / 2008.6 6 张中和，氧气曝气国 内外发展概况，上海市政工程， 1999年 2月第 1期 7 孙靖民，机械优化设计，机械工业出版社 1989年 2月 8 刘惟信，孟嗣宗，机械最优化设计，清华大学出版社， 1986年 9月第 1版 9 谢庆生，罗延科，李屹编著，机械工程模糊优化方法，机械工业出版社， 2001年 7月第一版 10 樊会元，席光，王尚锦，遗传算法在流体机械设计中的应用，机械科学与技术 2000年 11月第 6期 11 邱栋，徐志梁， CAE的发展及其在产品设计中的应用，家电科技， 2004年第 4期 12 程耿东，顾元宪，王健，我国机械 优化应用研究的综述和展望，机械强度， 1995年第 17卷第 2期 13 朱伯芳，复杂结构满应力设计的浮动应力指数法 .固体力学学报 .1984年 5卷第 2期； 255-261 14 王光远，周正源，霍达 .结柯设计的两相优化法 .力学学报， 1983年 15卷第 4期； 376-386 15 李康元，结构优化中处理约束的统一公式 .计算结构力学及其应用， 1991年 8 卷第 2期； 178-185 nts 倒伞型曝气机有限元分析及优化设计 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 指导老师签名： nts 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 leaves.And 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 Signature of Supervisor: nts 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 .5 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 .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 .14 3 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 .27 4 总结 .34 参考文献 .35 致 谢 .36 nts 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 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 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 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 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 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 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
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