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83 BB肥生产设备（9-BBⅡ型）总体设计及机架设计 BB 生产 设备 总体 设计 机架

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江西农业大学毕业设计(论文)任务书设计（论文）课题名称（9-BB型）BB肥生产设备总体设计及机架设计学生姓名周资平院（系）工学院专 业机械设计制造及其自动化指导教师涂建平职 称副教授学 历本科毕业设计（论文）要求： 1.设计要独立完成，不得抄袭； 2.设计要有一定实用性； 3.查阅相关的文献资料，通过查阅文献资料扩充知识面； 4.设计说明书和图纸符合国标规定和工学院毕业设计要求； 5.完成一份4000字以上的设计说明书和共计1.5张的A0图纸。毕业设计（论文）内容与技术参数：1.说明总体设计尺寸及各部件尺寸；2.生产率：4-5吨/时；3.装机容量：5.5千瓦；4.提升重量：500kg。毕业设计（论文）工作计划：1查阅资料 共1周2编写设计计算说明书（毕业论文）一份 共2周3绘制主要零件图若干张 共2周4绘制装配图一套 共5周接受任务日期 2008 年 12 月 01 日 要求完成日期 2009 年 05 月 10 日学 生 签 名 年 月 日指导教师签名 年 月 日院长（主任）签名 年 月 日BB肥生产设备总体设计及机架设计学校代码：10410 序 号：050357本 科 毕 业 设 计题目： BB肥生产设备总体设计及机架设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 周 资 平 学 号： 20050357 专 业： 机械设计制造及其自动化 年 级： 2005 级 指导教师： 涂 建 平 二OO九年 五 月67摘 要自从我国加入世界贸易组织以来，我国获得一个更加稳定的国际贸易环境，各行各业都面临着重大的机遇和挑战，肥料行业也不例外，BB肥作为实现测土配方施肥的重要肥种，越来越受到各方面的重视，中华合作时报农资专刊顺应时势发展，组织业内精英共聚一堂、各抒己见，共同探讨中国BB肥行业的发展思路，如果说第一届BB肥行业发展论坛的胜利召开为我们指明了发展目标，那么此届发展论坛的召开应该是探讨达到这个目标我们所需要做的努力。中国BB肥行业的发展正处在一个十分关键的时期，面临着各种机遇和挑战，机遇就是党和政府对“三农”问题的高度重视、社会主义新农村建设、国家对测土配方施肥工程的大力提倡，社会大环境给BB肥提供了广阔的发展空间，农资人的睿智为BB肥描绘了光明的发展前景，但是还要看到，随着市场经济对农资行业的浸透，WTO保护期的结束，国外农资大鳄对中国农资的分销市场早已垂涎已久，我国化肥行业面临着前所未有的挑战。中国化肥行业，特别是BB肥行业，应该团结起来、发挥整体优势，做大自己，抵御来自国外BB肥的强烈冲击。涅盘之后得到的将是永生。这样，BB肥生产设备在我国也必然有很好的发展前景，本设计课题是（9-BB型）BB肥生产设备总体设计及传动系统设计。这个课题主要包括总体方案的确定和传动系统尺寸的确定及计算。完成这个课题，能够让我们学会如何将课堂上所学的理论知识更好的应用到社会实践中去。由于水平有限。本论文中必然存在不少纰漏和错误，敬请评阅老师们批评指正。关键词：机遇挑战发展AbstractSince Chinese accession to the World Trade Organization, China access to a more stable international trading environment, businesses are faced with major opportunities and challenges, the fertilizer industry is no exception, BB fertilizer soil testing as an important fertilizer Fertilization species, the more to more attention from all sides, the Chinese co-operation conform to the trend of the times Times special agricultural development, the industrys elite organizations together to express their views and to discuss Chinas fertilizer industry BB thinking, if we say that the first Development Forum BB fertilizer industry victory held for us a clear development goals, so this session should be convened to develop the Forum is to explore to achieve this objective we need to do efforts. BB fertilizer Industry in Chinas development is at a very critical period, facing a variety of opportunities and challenges, opportunities and the government is the party of Three Rural Issues attached great importance to building a new socialist countryside, the state soil testing Fertilization a strong proponent of the project, social environment to BB fertilizer provides a broad space for development of human wisdom for agricultural fertilizer BB painted a bright future, but would also like to see, with the market economy on the agricultural industry immersion, the end of protection period WTO, foreign agricultural predators of the distribution of Chinas agricultural market has long been coveted for a long time, Chinas fertilizer industry is faced with unprecedented challenges. Chinas chemical fertilizer industry, in particular, BB fertilizer industry should unite together to play the whole advantage of their big, fat BB from abroad against a strong impact.So, BB fertilizer production facilities in China are bound to have good prospects for the development, the design issue is (9-BB type) BB fertilizer production equipment design and drive system design. The main subject of the overall program, including the identification and determination of transmission and calculation of the size. The completion of this subject, can we learn how to learn in class by the application of theoretical knowledge to the society a better practice. In this paper, there is bound to be a lot of fault and error please comment criticism teachers.Key words: Opportunity Challenge Development目录1 绪 论51.1 研究的目的和意义51.2 我国与世界其他国家BB肥生产设备发展现状61.3 BB肥生产设备的特点71.4 BB肥及其生产设备在我国的发展展望82 总体方案确定102.1 总体设计要求102.2 总体设计102.2.1 设计思想102.2.2 主要结构102.2.3 工作原理102.2.4 工艺流程102.2.5 技术要求112.2.6 总体尺寸综合112.3 总体图113 提升系统的设计计算133.1 料斗仓重量计算133.2 提升系统的设计计算143.2.1 导轨强度校核143.2.2 导轨刚度校核183.3 提升系统电动机选择213.3.1 选择电动机类型和结构型式213.3.2 选择电动机的容量213.3.3 选择电动机的型号234 机架的设计及校核274.1 机架结构类型274.1.1 按机架外形分类274.1.2 按机架的制造方法和材料分类274.2 机架结构的选择274.3 机架设计计算的准则和要求274.3.1 机架设计的准则284.3.2 机架设计的一般要求284.4 机架的形式及主要参数284.5 机架的强度校核304.6 机架的刚度校核354.7 立柱的强度及稳定性校核415 检验安装和使用维修435.1 检验规则435.2 吊装，安装和调整435.3 使用操作435.4 维修保养和故障排除446 总结45参考文献46致 谢471 绪 论1.1研究的目的和意义现今世界化肥产量每年增长率约为2%3%，而中国的增长率一直在 10%以上，而且这一势头还将延续。反观国内需求却不乐观：一是农田减少。数据显示，近10年中国农田面积减少10亿亩，随着退耕还林、退田还草等工程的实施，农田面积还会减少，势必影响化肥的需求。二是我国自2003年实行对农业免税、补贴等措施后，极大地调动了农民的种粮积极性，但毕竟杯水车薪，对促成国内化肥需求的增加不具有持续性。三是我国大部分地区已经出现过量施肥现象，长江流域、华北平原河流、湖泊的水体污染比较明显，这就直接导致了粮食增产与施用化肥成本的报酬递减现象，造成农民施肥积极性的下降。另外粮价的持续低迷也影响了农业投入。四是随着测土配方施肥、平衡施肥的推广，我国化肥施用量大幅增加的可能性很小。目前虽然国内每年的需求都在不断增加，但需求的增加根本赶不上当年产能增长的速度，虽然近年来一部分企业改上了甲醇，但最近几年中石化多套大型油改煤装置完工后产能的释放以及国际尿素产能的恢复，都让人对未来几年的供需状况持不乐观的态度。出口关税是否发生变化，国家发改委相关部门的负责人表示关税会有所微调，我们认为很有可能是全年统一成为15%20%，15%的可能性更大一些。如果出口关税做调整的话，国内出口将有所增加，对国内化肥总量将起到一定的调剂，也会给生产厂家相对的生存空间。目前,在测土配方施肥能力差的一些地区，适宜大面积推广应用的BB肥，被视为当地的配方肥，进行宣传、推广和应用；而在测土配方施肥技术能力较强的地区，BB肥则被视为“基础配方肥”或“配方基础肥”，经过“二次加工处理”，依据当地实际需要的养分比例和对中、微量元素的要求进行“填平补齐”之后，变成当地推广应用的配方肥。近几年，中央财政拿出高额补助，在全国31个省的800多个县开展试点示范和设立项目县；地方各级政府也大力支持。几年时间，中央和地方共投入近30个亿，在1240多个县开展测土配方施肥工作。面对新形势，BB肥要搞好定性、定型、定向、定位，尽量避免错位、缺位，力求补位和强位。要全面考量自身优势条件，尽快适应测土配方施肥新形势发展的需要。一方面配方就是市场，BB肥要跟着配方走。一个省、一个地县的配方的形成是一个相当复杂的技术过程，它能反映一个区、一个县、一个乡或一个村的地力状况和养分需求，也可反映用肥总量等。我们要认真分析研究各地的配方，测算各地养分配比要求和市场能力。在测土配方施肥的多方参与下，我们提倡双向选择，一是肥料用户要拿着配方选肥料；项目县要依据配方选对应的肥，以肥选合作企业；反过来企业可以以肥选配方，以方定地方，以地方定市场，也可以“以方调配比”。另一方面BB肥要实现自我调整，自我完善，提高市场适应能力，应搭好四个结合。一是依据各地配比需要，与自动化结合。二是BB肥要与缓控释、长效结合。三是与水肥一体化结合。四是与地力水平和实际需求结合，尽量贴近农民和农用。在科学施肥上没有绝对，只有相对。因为农业生产的属性是生物科学的范畴，受环境、气候等不确定因素和条件的影响干扰较大。以固定的配比去对应不确定的因素，很难实现精确，所以按配比生产的化肥只有更好没有最好。BB肥是我国于二十世纪八十年代发展起来的一种新肥种，它标志着我国农业施肥和肥料生产步入了一个新的阶段和水平。随着农业生产的不断发展，农民也不断提高了科学种田和科学施肥的水平，他们越来越充分的认识到“要想产量大，全靠肥当家”的深刻含义，因而施肥的观念和水平也不断在改变和发展，从过去单一养分施肥到多养分施肥，从单一施用磷肥、氮肥过度到施用含有氮、磷、钾养分的复混肥料，从施低浓度肥料逐步过渡到了追求施用高浓度多元复混肥料。从前那种“要想夺高产，就靠美国老二铵”的时代已经结束，随着我国科学施肥水平的提高，粮食的产量也是一跃再跃，从过去的亩产二、三百斤一跃超千斤，这是何等的飞跃，如果没有科学施肥水平的提高，那是何等难以想像的事。在我国国民经济飞速发展的今天，各行各业都在追求高效率，低消耗，农业也不例外，近两年各地农资市场的信息已告诉我们，农民在企盼和呼唤要为他们生产各种养分的高浓度BB肥（45%、50%、55%）。这说明农民不但认可BB肥，并且在追求高浓度BB肥，认为高浓度BB肥才是低耗高产的肥料。BB肥一直是与其它复混肥料品种并行发展的品种，但因过去生产水平较低，发展速度缓慢，年生产量只占复混肥料生产总量的15%，而在美国BB肥的产量和销量则占生产用肥的85%左右。这就给我们一个启示，BB肥市场在我国还有很大的潜在空间。近两年来，随着市场对高浓度复混肥料要求的升级，以造粒工艺生产如此高的高浓度复混肥料（45%、50%、55%）势必会出现造粒和烘干工艺新的难以解决的技术问题，势必会导致生产的高能耗，低效率，高成本，这因而会使其在高浓度肥料的市场竞争中逐渐趋于劣势。而BB肥的生产却恰恰相反，同低浓度复混肥料的生产相比，高浓度BB肥的生产加工成本不但不会增高，反而会相应降低，因而在复混肥料市场竞争中必然占有一定优势。不难看出，高浓度复混肥料需求上升的趋势，为BB肥的生产发展带来了新的机遇。另外，由于BB肥生产的工艺简单，也更加适应配方多变的测土配方肥和随时变更的各种专用肥的生产，再加上近年来我国为发展肥料行业投入了大量的人力和财力，相继投产了多套大颗粒尿素和颗粒钾肥的生产装置。这也是为今后BB肥的生产提供了质量保证和原料保证。因而，BB肥的生产和市场前景是美好的。1.2 我国与世界其他国家BB肥生产设备发展现状目前来看，我国的BB肥生产总体可分为两大类：一类是间断式；另一类是连续式。间断电脑大配料提升间断混拌提升分袋计量包装（间断式）连续电脑大配料提升滚筒混拌提升分袋计量包装（连续式）针对目前BB肥生产中存在的缺点和不足，秦皇岛时空科技发展有限公司提出了BB肥生产新工艺，开发了一体化生产装置。即单袋定量配料、混料、包装新工艺，该工艺采用单袋定量配料、混料和包装于一体，简化了工艺流程；缩短了混合后物料的运动，这就减少或克服了物料在运行中的分流现象，提高了产品的合格率，由于工艺流程的缩短，并采用完全自动化的一体化的生产装置，这就大大提高了生产效率，降低了消耗，即降低了生产成本，为BB肥发展和市场开发带来了有利的空间。这新的工艺流程与传统工艺相比有着以下明显优势：1投资少由于新工艺比传统工艺少用两台提升计量秤和一台分袋计量秤，所以固定成本明显减少；新工艺把设备放在地下，所以，新工艺对厂房没有太严格的要求。2配料精度高由于新工艺不存在反复提料和分袋计量等过程，集单袋配料、混拌、包装于一体，避免了物料分流，克服了由于物料比重和颗粒度不同给产品配比精度带来的影响。保证了单袋的配料精度，也就保证了每一袋的产品质量。3生产成本低（以年产10万吨为例）1)养分含量损耗少：多数厂家为了保证产品的合格率，考虑到生产的不稳定性，一般在生产过程中都要在规定养分含量的基础上增加1个左右养分，如果一个养分含量按50元/吨计算，一年生产10万吨BB肥，至少将浪费500万元。而新工艺不需要在规定养分含量基础上增加含量就可保证市场抽查的合格率。2)电耗低：新的生产工艺总动力为8千瓦左右。老工艺总动力在45千瓦左右。3)维修费用低：由于新工艺比老工艺节省了约30%的设备。因而，维修费用也将大幅度降低。4生产效率高由于新工艺节省了大量的设备。因而降低了整个系统在生产过程中的故障率，提高了生产效率。1.3 BB肥生产设备的特点该BB肥生产设备是一种低能耗，高效率的生产设备。该设备可以将单质氮、磷、钾肥及其它微量元素、杀虫剂等按一定比例掺混而成多元素的高浓度复混肥，从而实现了在农作物生长过程中的配方施肥，该设备可广泛应用于不同作物的不同生长期所需的各种BB肥的生产。在分析了国内外BB肥生产设备优缺点的基础上，设计研制的9BB型BB肥生产设备具有如下特点：1混合系统采用滚筒式无损坏混合机，斗式上料机，不仅不损坏物料原有的颗粒形状，更防止混合后的成品再发生离析现象；分批间歇混合方式，混合均匀度高。混合机叶片设计独特，搅拌均匀，混合时间180秒，生产过程中无层析现象，进出料迅速。有效地提高了产品的质量和市场竞争力。2针对我国南方气候潮湿、生产车间相对较小、人工成本高，9BB（地面上料法）生产设备配料系统下置、斗式提升、生产线结构紧凑、占地面积小，直接在地面上料，劳动强度相对较小。独特的桶式提升装置，最大限度的减少物料和空气的接触，避免生产过程中物料吸湿反潮，并减短了原料输送的时间，提高了生产效率。39BB防腐机型，采用不同的特殊防腐措施，大大延长了设备的使用寿命，特别适合在多雨潮湿的地区使用。4生产线没有任何藏粒的死角，停机后清理方便、简单。5设备占地面积小，布置紧凑，维修、操作简单。厂房只需普通平房即可。占地面积：100-200平方米。建设周期短：建设周期30天左右。6在保证产品同等产量和质量的情况下，简化了设备，使设备价格显著下降，只有国内同等设备的一半。设备投资少：5-30万元（人工操作全自动电脑控制）。7适应性强。适合各种恶劣现场环境，包括北方高寒地区和南方潮湿地区。8设备升级灵活：在基本配置型（人工操作生产线3-5万吨）的基础上配制电脑定量包装系统，即可组成半自动生产线，年生产能力可达到5-7万吨；在半自动配置的基础上配制电脑定量配料系统，即可组成全自动生产线，年生产能力可达到7-10万吨。用户根据具体情况可分期实施。1.4 BB肥及其生产设备在我国的发展展望在化肥复合化的发展进程中，世界各国都注意到BB肥具有养分配方灵活可调、整体投资少、使用成本低、节能环保、易开展农化服务等诸多优点而积极发展BB肥产业。然而，BB肥也有其自身的缺点生产、运输和施用中易发生养分分离从而影响肥效。但从整体上来看，BB肥是科学平衡施肥的理想载体。因此，BB肥产业在美国、加拿大等国家得到了迅速发展。据IFA（世界肥料工业协会）统计，美国1997年BB肥占固体复混肥料的80%。我国BB肥产业近年来发展较迅速，年设计产能10万吨以上的企业由1987年的1家增加到目前的300多家。目前我国BB肥产业进入快速发展阶段，主要表现在：基础颗粒肥料供应充足。我国BB肥生产所需的主要的基础颗粒肥料（尿素、磷酸一铵、磷酸二铵、重钙、氯化钾、硫酸钾等）可充足供应。此外，可通过改进工艺将其它不适宜直接掺混的基础肥料制成BB肥。生产设备与掺混技术国产化。我国第一套BB肥掺混装置是从加拿大引进的。此后将近20年来，我国BB肥国产装置从无到有，从人工计量、人工包装发展到自动计量、自动包装，掺混设备从混凝土搅拌机甚至是铁锹发展到大型掺混装置。BB肥产品从单纯供应无机养分发展到有机无机养分相结合；产品从单纯提供作物矿质营养功能发展到药肥结合等多种功能；掺混用的材料组分从最初的“尿素-磷酸铵-粗粒钾肥”一种系列发展到“尿素-磷酸铵-粗粒钾肥-植物营养添加剂”、“硝酸铵-过磷酸钙-氯化钾”、“尿素-氯化铵-过磷酸钙-氯化钾”、“硝酸磷肥-氯化钾”、“尿素-氯化铵-硫酸铵-氯化钾”、“尿素-硫酸铵-磷酸铵-硫酸钾”等多种系列。大型BB肥企业不断涌现，系列化产品日益增多。据不完全统计，我国已有25家以上的BB肥企业年产能达到10万吨，50家以上的BB肥企业年产能达到5万吨。另据化肥市场调查结果显示：山东有50个以上的BB肥厂家，200个以上的不同产品（不区分氯化钾型和硫酸钾型），氮磷钾总养分含量从25%到60%几乎各种含量都有，其中以40%、45%和50%三种含量水平的居多。尽管我国目前BB肥的用量与欧美各国相比还不是很大，不过，随着BB肥生产工艺的提高。将会有更多的农民认可BB肥的质量，将会有更多的生产厂商看到它潜在的利润。而按照发达国家的标准，每平方公里的区域应该设一个配肥站，这样便于各地根据当地土壤情况确定肥料配方。 当我国BB肥用量占到化肥总量的50%时，我国的农业生产与现在相比将是一个质的飞跃。2 总体方案确定2.1 总体设计要求1.适应各种固态粉粒的均匀混合2.粒状原料在搅拌混合过程中不能破碎3.生产率为45t/h4.物料混合均匀度达到技术要求5.对环境污染小，符合环保要求6.整体布置美观，紧凑，操作维修方便7.设备造价低，有较好的技术经济性能2.2 总体设计2.2.1 设计思想BB肥料是一种固体散装掺混型复混肥料，是根据土壤的可供养分含量和农作物的养分需求规律，有针对性地配制成的一种复混肥料。因此，它是根据土壤养分供给情况和肥料性质，将单质氮、磷、钾肥及其其它微量元素、杀虫剂等按一定比例混合而成的多元素的高浓度复合肥。因此要求BB肥生产设备在保证原有颗粒不破坏的情况下搅拌均匀。经过对比试验，我们采用滚筒搅拌装置，该装置水平放置，进出料口在滚筒两端，正转是进料搅拌，反转是出料2.2.2 主要结构9BB-型BB肥生产设备主要由提升斗、搅拌滚筒、电控柜、提升系统、机架等组成。2.2.3 工作原理将原料肥（大颗粒尿素、钾肥、磷肥）按配方要求比例计量后，分别投入斗式提升机料斗，经提升机输送到搅拌滚筒（上料时间30秒），上料时间达到设定值时自动停车,料斗返回地面进行下一次配料操作：原料肥在滚筒中进行充分混合（混合时间180秒）混合时间达到设定值时自动停车卸料至成品仓（卸料时间15秒），卸料时间达到设定值时自动停车；计量包装采用自动磅计量、手提缝包。上述过程重复操作即可实现连续性生产。2.2.4 工艺流程整套设备的工艺流程如下：原料运输人工配料原料提升滚筒混合卸料自动计量包装成品入库2.2.5 技术要求1 一般要求： 1.1 BB肥生产设备应符合本技术条件的要求，并按批准的产品图样及技术文件制造。 1.2 图样上未标注公差应按GB1804的规定。板金件按等级IT14，机加工按IT12。图样上未注形位公差按GB1184的D级规定。1.3 焊缝采用手工电弧焊。2 基本功能参数及技术要求：2.1.生产率：45吨/时；2.2.装机容量：5.5千瓦；2.3.分批混合：500kg/批；2.4.产品质量：混合均匀度变异系数Cv10%；2.5.耗能：耗电5kWh/t2.6.外形尺寸：750036006300；2.7.用材：搅拌滚筒等用不锈钢材料，厚度分别为搅拌滚筒4mm、成品仓2mm、提升斗4mm，其余材料用普通碳钢。2.2.6 总体尺寸综合确定设备外形尺寸：750035006300。在这个基础上来定其它各个部件的尺寸。考虑到料斗对导轨的作用，导轨选槽钢126535.5（GB707-88,型号为12.6），长度初步选为10m，导轨与地面角度定为60度。因为还有计量包装系统，所以料斗仓放在水平地面以下，料斗仓支座离地面高度为1520mm。第一、二根支架间距离定为1200mm；第二、三根支架间距离定为700mm。料斗仓离左边立柱处定为3810mm。机架由于受到滚筒的压力作用并考虑支撑滚筒的尺寸，机架的尺寸定为44503500，机架选槽钢126535.5。立柱选槽钢140586（GB707-88,型号为14a），并由两根槽钢140586焊接在一起而成。左右立柱间相距2900mm。2.3 总体图BB肥生产设备设计图如下：1提升斗 2.提升导轨 3.提升机构 4.楼梯 5.搅拌滚筒6.机架 7.成品仓 8.控制柜图2.1 总体装配图3 提升系统的设计计算该BB肥生产设备在地面上料，料斗口初始位置与地面平行。料斗上通过螺栓连接4个滚轮；通过滑轮支承架连接一个滑轮。提升系统由驱动电机提供动力，经摆线针轮减速机连接钢丝绳，钢丝绳通过导轨顶端定滑轮连接料斗仓动滑轮。原料肥按配方要求比例计量并投入料斗仓后，按下提升按钮，驱动电机正转，经减速机带动钢丝绳拉曳料斗仓沿导轨上升，料斗仓上升时，其上的四个滚轮在槽钢导轨的槽中滚动。当料斗仓提升到导轨顶端撞到行程开关时，驱动电机停止驱动，料斗仓停止上升，并接通电气设备使料斗仓自动卸料。卸料完成后，按下下降按钮，驱动电机反转，料斗仓随导轨缓慢下降，下降至初始位置时电机停止转动。重复上述过程即可实现连续性生产。3.1 料斗仓重量计算根据料斗仓设计尺寸计算的重量，已知料斗仓厚度为4mm，材料为不锈钢。由机械设计手册上查得不锈钢的密度为7.9g/。具体尺寸如下：图3.1料斗一侧面设计尺寸图3.2料斗另一侧面设计尺寸由设计尺寸计算料斗外表面积S料斗底面面积： 可得料斗仓面积大概为： 得料斗不加其它零件时的重量为: 考虑诸如滚轮等零件的重量，所以将料斗的总重量设为0.5t。3.2 提升系统的设计计算3.2.1 导轨强度校核图3.3导轨与水平面夹角示意图由已知条件可以求出导轨与水平面所成夹角。tan= =由=角可以计算出导轨从初始位置运行到卸料时的长度（设为C），而已知所列直角三角形的一条边的长度为6.1m。画出支持导轨的三个支架，并计算出1、2两支架间的长度以校核导轨的最大弯曲正应力。所计算的三角形如下：图3.4导轨支架示意图由上图可得：，这样证明了导轨长度选9m是可以的 所以导轨的长度最终确定为9m，为2.4m。导轨（1、2间）受力简化如下图：图3.5导轨（1、2）间受力简化图如图所示，列出静力平衡方程：由此得：从而求出支反力：再把P、Ra、P-Ra这三个力在导轨的水平方向和竖直方向进行分解。图3.6导轨受力分解图在三力分解后，因为导轨水平方向受力所引起的强度变化和导轨在竖直方向引起的强度变化比起来，它可以忽略不计。所以在水平方向上无需对导轨进行强度校核，只要在竖直方向上对导轨校核就可以。于是进一步简化为下图：图3.7导轨受水平力简化图然后作出导轨的弯矩图如下图所示：图3.8导轨受力弯矩图在图3.9所示变形情况下，即截面m-m上的弯矩变形凸向下时，截面m-m上的弯矩规定为正：反之为负。图3.9弯矩变形图所以弯矩：设若要使得y取最大值，则，这样为最大值。所以在料斗（已经装了BB肥时）沿导轨运行到正中间时，料斗对导轨的弯曲应力最大。料斗总重为0.5t,加上BB肥原料500kg,因此料斗装上BB肥后总重为1.0t。则 （P=1t=）=（b=1.2m） 在满足该材料的强度时，限定最大正应力不得超过许用应力，于是强度条件为： （1）查材料力学可得，在热扎普通槽钢126535.5中，抗弯截面系数W=62.1，将W代入上面的公式（1）得：引参考文献可查得，强度极限=345420Mpa,取安全系数为3，则n=115140可得b，可以断定为最大转角。最大挠度发生在=0的截面上。在ab的情况下，=0的截面AC段内，令式（o）等于零，得即为发生最大挠度的截面的坐标。在式（p）中，令得最大挠度为：的值一般非常接近0.5，即挠度最大的截面总在跨度中点附近。因此，可用跨度中点的挠度近似地代替最大挠度。在式（p）中令，得当a=b=时，挠度最大。 （2）由强度计算中已经计算出的条件可知，。而根据机械设计手册可以查得，在热扎普通槽钢中，弹性模量E=(22.2)N/,取E=2.2N/，I=391，将E、I、代入公式（2）得： （）=-=1.67mm挠度极限f= =4.8mm因为f，所以导轨的刚度足够。3.3 提升系统电动机选择电动机是已经系列化的标准产品。在机械设计中，主要根据所需电动机的输出功率，工作条件及经济性要求，从产品目录中选择其类型、结构型式、容量（功率）和转速、并确定型号。3.3.1 选择电动机类型和结构型式减速机选摆线针轮减速机。三相异步交流电动机由于结构简单，制造、使用和维修方便，价格便宜，所以在工业中得到广泛的使用。Y系列笼型三相异步交流电动机具有效率高、启动转矩大、价格低，维护方便等优点。适用于不易爆，不易燃、无腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上，例如：机床、泵、风机、运输机械、食品机械、农业机械等。也适用于对起动转矩要求较高的机械，如压缩机等，对于经常启动，制动和反转的场合，要求电动机的转动惯量小及过载能力大，应选用冶金及其起重用的YZ（笼型）或YZR（绕线型）系列。在我们设计的驱动电机选用YEJ系列。该系列电机高效节能、噪音低、安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准和DIN42673标准。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为IC0141，额定电压和频率分别为380V、50HZ、工作制为连续工作制S1。该系列电机应在下列条件下使用：1、海拔不超过1000米；环境空气最高温度随季节变化，最高温度为40度最低温度为-15度。若在海拔1000米或者40度以上条件下使用，应按GB755的规定。2、环境湿度最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25度。3.3.2 选择电动机的容量选择电动机的容量就是合理确定电动机的额定功率。电动机功率选择合理与否，对其工作和经济性都有影响。电动机功率小于工作要求时，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；电动机功率过大，电动机容量不能充分利用，效率和功率因素都较低，造成浪费。所以，对于载荷不变或变化不大，且在常温下长期连续运转的电动机，只需使电动机负载不超过其额定值，电动机便不会过热，因此，选择电动机就是根据电动机的额定功率稍大于（或等于）所需电动机功率来选择电动机。电动机工作时所需的功率按下式计算： （KW） （1-1）式中：滑轮工作所需的功率，（KW）；电动机的工作效率，=0.85工作机所需的功率一般根据工作机的生产阻力和运动参数计算： （KW） （1-2） 式中：F滑轮的工作阻力，（N）；V滑轮的速度，（m/s）；于是需要求出F和V.先求F.当料斗沿导轨开始提升后，对导轨进行受力分析如下图所示；图3.11料斗提升受力分析由机械设计手册可以查得，在料斗提升时料斗与导轨的摩擦系数为=0.1，摩擦力f= = =0.05G由力的平衡条件得F= =（ =0.916G=N =N由现代混凝土建筑结构施工手册可以查得，在机械工程中，材料的提升速度最小为0.12m/s，最大为0.6m/s，此处设计时，为了安全和可靠系数比较高，选v=0.3m/s。将F=和v=0.3m/s代入式（12）得：再将，=0.85代入式（1-1）中得到3.23KW引参考文献机械设计指导，考虑到上列计算公式与实际工作时的工况差异颇大，为了安全和整个系统的稳定性和可靠性，通常取功率裕度系数为13,此处取1.6，于是计算电动机功率：由于载荷平稳，电动机额定功率应略大于即可。所以初步选定功率为5.5KW的电动机。3.3.3选择电动机的型号 3.3.3.1选择减速电动机的型号因为和滑轮连接的减速电机给滑轮提供动力，所以滑轮的速度也是这个减速电动机的速度。则电机转速为 （设滚筒直径为200mm）=28.7r/min由此确定选用输出转速为35r/min的减速电动机。功率选5.5KW，同步转速选1500r/min，所以传动比i=43。由这些条件，最后确定选用摆线针轮减速机XWD5.5-6-43.t它的公称许用转矩为查化工设备全书可知，该型号电机工作时，它的实际输出转矩Ms= （）=9550=1129N因为Ms=2200，合格可选。式中 N输入功率,KW； n输入轴转速，r/min； K工况系数，由机械设计手册查的连续工作时K=1.2；i传动比；机械效率，单级时=0.9；摆线针轮减速电动机，按传动系数分为单级和多级传动类型，该处选用单级。按结构型式可分为卧式、立式，此处选卧式。1.适用范围传动比： 单级 11i87 两级 121i 5133功率： 0.4P40KW输出扭矩： 14719620输入转速： n1500r/min 2.代号由参考文献4行星摆线针轮减速器代号包括型号和规格两部分。型号用汉语字母拼音表示，X行星摆线针轮减速器，W卧式，D带电动机。规格包括功率、机型号和传动比三项内容，均以实际数字表示。示例：图3.12行星摆线针轮减速器代号查机械设计手册可以查得摆线针轮减速电动机外形及电机参数如下： 图3.13摆线针轮减速电动机外形3.3.3.2选择驱动电动机的型号 由功率5.5KW，同步转速1500r/min，查机械设计可知驱动电动机选YJE132S-4型制动三相异步电动机。实际转速1440r/min。Y132S-4型5.5KW外形如下图所示：图3.14驱动电机外形机座带底脚、端盖上无凸缘的电动机表3.1 电动机尺寸参数附：YJE系列（IP44）三相异步电动机技术数据表3.2电动机技术参数4 机架的设计及校核在机器中支承或容纳零部件称为机架。如支承罐的塔架、容纳传动齿轮的减速器的壳体，机床的床身等等统称为机架。4.1机架结构类型4.1.1 按机架外形分类按机架外形分类：网架式、框架式、梁柱式、板块式和箱壳式。4.1.2 按机架的制造方法和材料分类按制造方法，机架可分为铸造机架、焊接机架和螺栓或铆接机架。按机架材料可分为金属机架、非金属机架。非金属机架又可分为混凝土机架、素混凝土机座平台、花岗岩机架、塑料机架等。铸造机架常用材料为铸铁、铸钢和铸铝。小型设备（如仪表等）的机架则有铜制或塑料制造。4.2 机架结构的选择进行机架结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的机架结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。1结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。机械结构中许多构件所受的都是沿垂直于杆轴的方向作用的。弯矩沿杆变化很迅速。有垂直载荷处，弯矩曲线有曲率，且曲率与载荷集度成正比。最大的弯矩限于一小段内，在较长段内材料不能充分利用，这是弯曲构件不经济的另一原因。2.结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。3.结构的连续性可以降低内力，节省材料。4.3 机架设计计算的准则和要求4.3.1机架设计的准则1工况要求 任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起；设置执行某一工况所必须的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。2刚度要求 在必须保证特定外形条件下，对机架的主要要求是刚度。例如机床的刚度决定了机床的效率和加工的精度；在齿轮减速器中，箱壳的刚度决定了齿轮的啮合性及运转性能。3强度要求 对于一般的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求。但对于重载设备的强度要求必须引起足够的重视。其准则是在机器运转中可能发生的最大载荷情况下，机架上任何点的应力都不得大于容许应力。此外，还要满足疲劳强度的要求。4稳定性 对于细长的或薄壁的受力结构及受弯压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。5美观 目前对机器的要求不仅要求能完成特定的工作，还要使外形美观。6其他 如散热的要求；防腐蚀及特定环境的要求；对于精密机械仪表等热变形小的要求，等等。4.3.2 机架设计的一般要求在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。1.机架的重量轻，材料选择合适，成本低。2.结构合理，便于制造。3.结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。4.结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由于温度变化引起的变形应力小。5.抗振性能好。6.耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。7.有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。4.4 机架的形式及主要参数在BB肥生产设备中，经过多方面的考虑后，决定选用框架式的金属机架。在下图4-1中，阴影部分表示滚筒，滚筒通过杆件和主机架连成一整体，由机架的立柱支撑。 图4.1机架的外形结构图4.2主机架结构由图4-2计算主机架重量：首先计算总长度L L= 所以L= =17800+11900+7000+7200=43900mm （槽钢12.318kg/m）为了维修方便，在机架上还有一块4mm厚的钢板（4450mm3500mm）。钢板重=考虑到存在一些不确定因素，所以取机架重量为1.2吨。4.5机架的强度校核主机架受滚筒作用如图4.3所示：（已知滚筒自重0.8吨）图4.3主机架受滚筒作用图由图4.3可以看出，滚筒对主机架的压力主要是作用在梁1和2上，3和4没受什么影响，然后梁1和2把力传到了梁5和6上，最终由梁5和6承担了滚筒对机架的作用力，而因为它们是对称的，为了简化机架的受力，把所有对机架的作用力都只有一半在梁5和6上检验即可。现在取梁5来做受力分析，如图4-4所示：图4.4梁5受力分析图而根据已设计好的数据和图纸可得下列数据。P=1.0t为料斗（含料时）的重量，为滚筒（含料时）的重量，为机架自重，为成品仓（含料时）的重量，由力和弯矩方程求出支反力和图4.5梁5的受力图由力和弯矩公式列方程求出支反力和，代入数据解得：=1.09t =1.11t因为要检验刚架的强度，必须用最大的弯矩来计算，所以，必须求出在梁5上的最大弯矩。段的最大弯矩：图4.6 段受力和弯矩图在图4-6中，由，得: （0X）当X=时，最大，段的最大弯矩：图4.7段受的弯矩图在图4-7中，由，得 =当X=时，最大， =537.5tmm段的最大弯矩：图4.8段弯矩图在图4.8中，由，得 （0X）=0.24X+（1.09X1250-0.5X1650）tmm=0.24X+537.5tmm当X=时，最大，=0.24X200tmm+537.5tmm =609.5tmm段的最大弯矩：图4.9弯矩图在图4-9中，由得 （0X）=0.36X+505.5tmm当X=时，最大，=613.5tmm段的最大弯矩：图4.10弯矩图在图4-10中，由 得: （0X）=（1.110.4）X0.4x600=0.76X240 tmm当X=时，最大， =558tmm段的最大弯矩：见下图图4.11所示图4.11段弯矩图在图4-11中，由 得（0X）当X=时，最大， =240tmm在梁5上，段的最大弯矩分别为，537.5tmm，=609.5tmm，613.5tmm，558tmm最大，所以，最大弯矩发生在上。在校核材料的强度时，限定最大正应力不得超过许用应力，于是强度条件为：而由已知条件得: （1）根据机械设计手册中，可以查得在热扎普通槽钢中，W=80.5，将W代入上面的公式（1）得：76.2MPa根据机械设计手册，可查得=375460MPa，取安全因素n=3,/n=125153。因为，的强度足够。这样，梁5的强度是足够的。从总体上来看的话，机架的强度也是足够的。对机架设计的分析：由计算可以知道，在处强度最大，对整个机架考虑后，为了使机架更加安全可靠，考虑加上加强梁。4.6机架的刚度校核由图4.5可知梁5的受力图。图4.5梁5的受力图和强度计算一样，采用分步骤的计算。对作用处进行计算，为了简化计算，将CA部分作为悬臂梁受力如下图所示：在作用下，由材料力学查悬臂梁挠度计算公式可得C点的挠度是因为在A的右端还有梁，所以需要求出在截面A的转角，由材料力学查得=0.00032而在梁AB段，因为在点、和这三个点上最有可能出现挠度最大的情况，所以，取这三个点来分析。对作用处进行计算，分析如下图4-13所示：图4.13作用力图在作用下，由材料力学查得F点的挠度是： =1.53mm由材料力学查得对截面A和B的转角和的计算公式并求出这两个数值：=0.0015= =0.0014对作用处进行计算，分析如图4.14所示：图4.14对梁的作用力图在作用下，由材料力学查的E点的挠度为：=1.64mm由材料力学查得对截面A和B的转角和的计算公式并求出这两个数值：= 0.00247=0.0015对作用处进行计算，分析如图4-15所示图4.15对梁的作用力图在作用下，由材料力学查得F点的挠度为：=1.23mm由材料力学查得对截面A和B的转角和的计算公式并求出这两个数值=0.0012=0.0015对作用处进行计算校核,作用校核图如下：为了简化计算，将BG部分作为悬臂梁如图4-16所示。在作用下，由材料力学查得G点挠度为：=0.23mm因为在B的左端还有梁，所以需要求出在截面B的转角由材料力学查得=0.00058引材料力学可知，在小变形且材料服从胡克定理的情况下，可以求得挠曲线的近似微分方程它是一个线性方程，因而方程式的解是可以叠加的。这样，当梁上有几种载荷共同作用时，可分别求出每一载荷单独作用时下的变形，然后将各个载荷单独引起的变形叠加，就是这些载荷共同作用时下的变形。以下就是运用叠加法在总体考虑上来计算处的总挠度。计算处的总挠度0.00154000.002474000.0012400+0.00058400=0.170.610.48+0.232=1.68机架上这一部分总长为=600mm引机械设计手册可知，在悬臂梁中，受弯构件的跨度为悬臂梁的悬伸长度的两倍=1.682=2mm，符合要求。计算处受的总挠度=1.57+1.64+1.230.40.96=3.08mm 机架上这一部分总长A-B为2900mm=3.082=4.8mm，符合要求。计算处受的总挠度=1.53+1.64+1.230.50.783=3.12mm机架上这一部分总长为A-B为2900mm=3.122=4.8mm，符合要求。计算处受的总挠度=1.53+1.64+1.230.590.61=3.2mm=3.22=4.8mm，符合要求。计算处受的总挠度：=0.370.840.90.72+0.192=1.9机架上这一部分总长为：=1000mm引机械设计手册可知，在悬臂梁中，受弯构件的跨度为悬臂梁的悬伸长度的两倍。=1.9=1.09t，所以选来计算支柱压应力。（查参考文献可得许用强度）2、稳定性校核：由材料力学欧拉公式可知：P Pc临界载荷， 长度系数取1（两端铰支）=（公斤）由材料力学查得E=，I=564。公斤P=1110公斤=67937公斤所以，立柱稳定。5 检验安装和使用维修5.1检验规则设备安装完毕进行空转实验后方可使用。空转实验时技术要求如下：1.电动机顺利起动，运转平稳。2.提升斗，搅拌滚筒运转平稳，无异常振动和响动。3.试验中各种动作平稳，协调、准确，传动系统无异常响声。5.2吊装，安装和调整1. 吊装1.1滚筒出厂时已装配好，可整机吊装。1.2吊装时，两钢丝绳的夹角不得大于90度，以免引起设备变形。1.3吊装时必须注意安全，吊运工具必须可靠，最好由具有较丰富的吊装工作经验的人员负责。2.设备安装2.1搅拌滚筒可直接安装于基础的预埋铁板上，应调整水平，其它各部分按设备总图要求安装。2.2设备各部分的连接和各部件的装配应牢固可靠，焊缝应平整、均匀、牢固，不应有烧伤，漏焊等缺陷，各螺栓应拧紧。3.设备调整各驱动电机安装好后，空车让电动机试运转，看有无异常声响和异常振动，如有应查找原因，重新调整。5.3使用操作1.必须在正常调整后使用。2.正式使用前必须对各润滑件加润滑油。3.操作顺序3.1先按搅拌滚筒正转按钮，使搅拌滚筒正转。3.2下完料后按提升斗上升按钮。3.3提升斗内物料全部倒入搅拌滚筒后，按计时按钮。3.4在达到预设搅拌时间后，搅拌滚筒会自动停止，待搅拌滚筒完全停止后再按反转按钮，出料。5.4维修保养和故障排除1.维修保养1.1检修、保养机器必须停机进行。1.2经常检查各运动部件的工作情况，发现问题应立即进行维修。1.3提升导轨应经常加放耐高温润滑油。1.4由于BB肥有很强的腐蚀性，所以每天下班后应清理设备、车间。1.5在生产完一个季节后，应仔细清理设备，对机架部分应重刷一层保护漆。对活动部分应涂一层润滑油。2.常见故障及排除方法：故障主要原因排除方法提升斗下料门打不开控制下料门打开的行程开关失灵换行程开关搅拌滚筒进料口漏料粘结在筒内的物料太多定时清理筒内的积料表5.1故障排除方法6 总结经过三个多月的毕业设计,在涂老师和徐老师的指导下完成了一套BB肥成套生产设备。这个课题由我和钟厚龙共同完成，这个课题的主要任务是完成总体及提升系统的设计。为了更好的完成设计，我们查阅了许多相关资料，对BB肥生产设备的工作原理、总体结构进行了深入的了解。通过查阅相关资料和听取老师建议，我们确定了总体的设计方案为：料的提升滚筒混拌卸料分袋计量包装，而我们设计的主要内容有提升系统、驱动电机、减速电机与机架部分的设计计算，对主要零部件尺寸进行系统的设计，主要包括料斗、机架、减速电机等。并且进行了系统的验算和校核。我主要负责总体设计和机架设计，钟厚龙主要负责提升系统的设计。设计过程中我们有许多重要的数据难以确定，通过查阅许多相关的文献资料，咨询相关专业人士，我们才能够勉强完成这次毕业设计。通过设计，我们深刻体会到在设计当中查阅资料的重要性。在设计过程中，涂老师和徐老师严格要求我们，对工作认真、负责，她们严谨的工作态度很好的激励了我们。为我们在以后的学习和工作中树立了很好的榜样。参考文献1成大先.机械设计手册.化学工业出版社，19932刘鸿文.材料力学.高等教育出版社，2004.13杨明忠，朱家诚.机械设计.武汉理工大学出版社，20014李克永.化工机械手册.天津：天津大学出版社，1991.5 5杨可桢，程光蕴.机械设计基础.第四版.高等教育出版社，19996曾志新，吕明.机械制造技术基础. 武汉理工大学出版社，20047洪家娣、李明等.机械设计指导.江西高校出版社，20018徐灏.机械设计手册.机械工业出版社，1995.129候君伟.现代混凝土建筑结构施工手册.机械工业出版社，2003.2致 谢本次设计是在尊敬的涂建平老师和徐雪红老师的精心指导和悉心关怀下完成的。在整个设计过程中，她们一直细心的指导我们，当我们遇到问题的时候，无论她们多么繁忙，她们都会尽力抽空来帮我们解决问题，让我们非常的感动，她们还给我们的设计提出了很多宝贵的修改意见，在这里衷心的感谢我们的指导老师，涂老师，徐老师，您们辛苦了！感谢图书馆给我们提供大量的书籍资料供参考；感谢给予我们帮助的其他老师和同学们。最后，临毕业之际，我借此机会，对四年来关心我们学习和生活的各位工学院的老师们表示深深的感谢。附录I 外文文献翻译估计导致工程几何分析错误的一个正式理论SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh机械工程系，威斯康辛大学，麦迪逊分校，2006年9月30日摘要：几何分析是著名的计算机辅助设计/计算机辅助工艺简化 “小或无关特征”在CAD模型中的程序，如有限元分析。然而，几何分析不可避免地会产生分析错误，在目前的理论框架实在不容易量化。本文中，我们对快速计算处理这些几何分析错误提供了严谨的理论。尤其，我们集中力量解决地方的特点，被简化的任意形状和大小的区域。提出的理论采用伴随矩阵制定边值问题抵达严格界限几何分析性分析错误。该理论通过数值例子说明。关键词:几何分析;工程分析;误差估计;计算机辅助设计/计算机辅助教学1. 介绍机械零件通常包含了许多几何特征。不过，在工程分析中并不是所有的特征都是至关重要的。以前的分析中无关特征往往被忽略，从而提高自动化及运算速度。举例来说，考虑一个刹车转子，如图1(a)。转子包含50多个不同的特征，但所有这些特征并不是都是相关的。就拿一个几何化的刹车转子的热量分析来说，如图1(b)。有限元分析的全功能的模型如图1(a)，需要超过150,000度的自由度，几何模型图1(b)项要求小于25，000个自由度，从而导致非常缓慢的运算速度。图1(a)刹车转子 图1(b)其几何分析版本除了提高速度，通常还能增加自动化水平，这比较容易实现自动化的有限元网格几何分析组成。内存要求也跟着降低，而且条件数离散系统将得以改善;后者起着重要作用迭代线性系统。但是，几何分析还不是很普及。不稳定性到底是“小而局部化”还是“大而扩展化”，这取决于各种因素。例如，对于一个热问题，想删除其中的一个特征，不稳定性是一个局部问题:(1)净热通量边界的特点是零。(2)特征简化时没有新的热源产生; 4对上述规则则例外。展示这些物理特征被称为自我平衡。结果，同样存在结构上的问题。从几何分析角度看，如果特征远离该区域，则这种自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近该区域我们必须谨慎，。从另一个角度看，非自我平衡的特征应值得重视。这些特征的简化理论上可以在系统任意位置被施用,但是会在系统分析上构成重大的挑战。目前，尚无任何系统性的程序去估算几何分析对上述两个案例的潜在影响。这就必须依靠工程判断和经验。在这篇文章中，我们制定了理论估计几何分析影响工程分析自动化的方式。任意形状和大小的形体如何被简化是本文重点要解决的地方。伴随矩阵和单调分析这两个数学概念被合并成一个统一的理论来解决双方的自我平衡和非自我平衡的特点。数值例子涉及二阶scalar偏微分方程，以证实他的理论。本文还包含以下内容。第二节中，我们就几何分析总结以往的工作。在第三节中，我们解决几何分析引起的错误分析，并讨论了拟议的方法。第四部分从数值试验提供结果。第五部分讨论如何加快设计开发进度。2. 前期工作几何分析过程可分为三个阶段:识别:哪些特征应该被简化；简化：如何在一个自动化和几何一致的方式中简化特征；分析:简化的结果。第一个阶段的相关文献已经很多。例如，企业的规模和相对位置这个特点，经常被用来作为度量鉴定。此外，也有人提议以有意义的力学判据确定这种特征。自动化几何分析过程，事实上，已成熟到一个商业化几何分析的地步。但我们注意到，这些商业软件包仅提供一个纯粹的几何解决。因为没有保证随后进行的分析错误，所以必须十分小心使用。另外，固有的几何问题依然存在，并且还在研究当中。本文的重点是放在第三阶段，即快速几何分析。建立一个有系统的方法，通过几何分析引起的误差是可以计算出来的。再分析的目的是迅速估计改良系统的反应。其中最著名的再分析理论是著名的谢尔曼-Morrison和woodbury公式。对于两种有着相似的网状结构和刚度矩阵设计，再分析这种技术特别有效。然而，过程几何分析在网状结构的刚度矩阵会导致一个戏剧性的变化，这与再分析技术不太相关。3. 拟议的方法3.1问题阐述我们把注意力放在这个文件中的工程问题，标量二阶偏微分方程式(pde): 许多工程技术问题，如热，流体静磁等问题，可能简化为上述公式。作为一个说明性例子，考虑散热问题的二维模块如图2所示。图2二维热座装配热量q从一个线圈置于下方位置列为coil。半导体装置位于device。这两个地方都属于，有相同的材料属性，其余将在后面讨论。特别令人感兴趣的是数量，加权温度Tdevice内device(见图2)。一个时段，认定为slot缩进如图2，会受到抑制，其对Tdevice将予以研究。边界的时段称为slot其余的界线将称为。边界温度假定为零。两种可能的边界条件slot被认为是:(a)固定热源，即(-kt)n=q，(b)有一定温度，即T=Tslot。两种情况会导致两种不同几何分析引起的误差的结果。设T(x，y)是未知的温度场和K导热。然后，散热问题可以通过泊松方程式表示:其中H(x，y)是一些加权内核。现在考虑的问题是几何分析简化的插槽是简化之前分析，如图3所示。图3defeatured二维热传导装配模块现在有一个不同的边值问题，不同领域t(x，y):观察到的插槽的边界条件为t(x，y)已经消失了，因为槽已经不存在了（关键性变化）!解决的问题是:设定tdevice和t(x，y)的值，估计Tdevice。这是一个较难的问题，是我们尚未解决的。在这篇文章中，我们将从上限和下限分析Tdevice。这些方向是明确被俘引理3、4和3、6。至于其余的这一节，我们将发展基本概念和理论，建立这两个引理。值得注意的是，只要它不重叠，定位槽与相关的装置或热源没有任何限制。上下界的Tdevice将取决于它们的相对位置。3.2伴随矩阵方法我们需要的第一个概念是，伴随矩阵公式表达法。应用伴随矩阵论点的微分积分方程，包括其应用的控制理论，形状优化，拓扑优化等。我们对这一概念归纳如下。相关的问题都可以定义为一个伴随矩阵的问题，控制伴随矩阵t_(x，y)，必须符合下列公式计算23:伴随场t_(x，y)基本上是一个预定量，即加权装置温度控制的应用热源。可以观察到，伴随问题的解决是复杂的原始问题;控制方程是相同的;这些问题就是所谓的自身伴随矩阵。大部分工程技术问题的实际利益，是自身伴随矩阵，就很容易计算伴随矩阵。另一方面，在几何分析问题中，伴随矩阵发挥着关键作用。表现为以下引理综述:引理3.1已知和未知装置温度的区别，即(Tdevice-tdevice)可以归纳为以下的边界积分比几何分析插槽:在上述引理中有两点值得注意:1、积分只牵涉到边界slot;这是令人鼓舞的。或许，处理刚刚过去的被简化信息特点可以计算误差。2、右侧牵涉到的未知区域T(x，y)的全功能的问题。特别是第一周期涉及的差异，在正常的梯度，即涉及-k(T-t) n;这是一个已知数量边界条件-ktn所指定的时段，未知狄里克莱条件作出规定-ktn可以评估。在另一方面，在第二个周期内涉及的差异，在这两个领域，即T管; 因为t可以评价，这是一个已知数量边界条件T指定的时段。因此。引理3.2、差额(tdevice-tdevice)不等式然而，伴随矩阵技术不能完全消除未知区域T(x，y)。为了消除T(x，y)我们把重点转向单调分析。3.3单调性分析单调性分析是由数学家在19世纪和20世纪前建立的各种边值问题。例如，一个单调定理:添加几何约束到一个结构性问题，是指在位移(某些)边界不减少。观察发现，上述理论提供了一个定性的措施以解决边值问题。后来，工程师利用之前的“计算机时代”上限或下限同样的定理，解决了具有挑战性的问题。当然，随着计算机时代的到来，这些相当复杂的直接求解方法已经不为人所用。但是，在当前的几何分析，我们证明这些定理采取更为有力的作用，尤其应当配合使用伴随理论。我们现在利用一些单调定理，以消除上述引理T(x，y)。遵守先前规定，右边是区别已知和未知的领域，即T(x，y)-t(x，y)。因此，让我们在界定一个领域E(x，y)在区域为:e(x，y)=t(x，y)-t(x，y)。据悉，T(x，y)和T(x，y)都是明确的界定，所以是e(x，y)。事实上，从公式(1)和(3)，我们可以推断，e(x，y)的正式满足边值问题:解决上述问题就能解决所有问题。但是，如果我们能计算区域e(x，y)与正常的坡度超过插槽，以有效的方式，然后(Tdevice-tdevice)，就评价表示e(X，Y)的效率，我们现在考虑在上述方程两种可能的情况如(a)及(b)。例(a)边界条件较第一插槽，审议本案时槽原本指定一个边界条件。为了估算e(x，y)，考虑以下问题:因为只取决于缝隙，不讨论域，以上问题计算较简单。经典边界积分/边界元方法可以引用。关键是计算机领域e1(x，y)和未知领域的e(x，y)透过引理3.3。这两个领域e1(x，y)和e(x，y)满足以下单调关系:把它们综合在一起，我们有以下结论引理。引理3.4未知的装置温度Tdevice，当插槽具有边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析域(2)解决e1的一项问题涉及插槽:观察到两个方向的右侧，双方都是独立的未知区域T(x，y)。例(b) 插槽Dirichlet边界条件我们假定插槽都维持在定温Tslot。考虑任何领域，即包含域和插槽。界定一个区域e(x，y)在满足:现在建立一个结果与e-(x，y)及e(x，y)。引理3.5注意到，公式(7)的计算较为简单。这是我们最终要的结果。引理3.6 未知的装置温度Tdevice，当插槽有Dirichlet边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析。(2) 围绕插槽解决失败了的边界问题，:再次观察这两个方向都是独立的未知领域T(x，y)。4. 数值例子说明我们的理论发展，在上一节中，通过数值例子。设k = 5W/mC, Q = 10 W/m3 and H = 。表1:结果表表1给出了不同时段的边界条件。第一装置温度栏的共同温度为所有几何分析模式(这不取决于插槽边界条件及插槽几何分析)。接下来两栏的上下界说明引理3.4和3.6。最后一栏是实际的装置温度所得的全功能模式(前几何分析)，是列在这里比较前列的。在全部例子中，我们可以看到最后一栏则是介于第二和第三列。T Tdevice T对于绝缘插槽来说，Dirichlet边界条件指出，观察到的各种预测为零。不同之处在于这个事实:在第一个例子，一个零Neumann边界条件的时段，导致一个自我平衡的特点，因此，其对装置基本没什么影响。另一方面，有Dirichlet边界条件的插槽结果在一个非自我平衡的特点，其缺失可能导致器件温度的大变化在。不过，固定非零槽温度预测范围为20度到0度。这可以归因于插槽温度接近于装置的温度，因此，将其删除少了影响。的确，人们不难计算上限和下限的不同Dirichlet条件插槽。图4说明了变化的实际装置的温度和计算式。预测的上限和下限的实际温度装置表明理论是正确的。另外，跟预期结果一样，限制槽温度大约等于装置的温度。5. 快速分析设计的情景我们认为对所提出的理论分析什么-如果的设计方案，现在有着广泛的影响。研究显示设计如图5，现在由两个具有单一热量能源的器件。如预期结果两设备将不会有相同的平均温度。由于其相对靠近热源，该装置的左边将处在一个较高的温度，。图4估计式versus插槽温度图图5双热器座图6正确特征可能性位置为了消除这种不平衡状况，加上一个小孔，固定直径;五个可能的位置见图6。两者的平均温度在这两个地区最低。强制进行有限元分析每个配置。这是一个耗时的过程。另一种方法是把该孔作为一个特征，并研究其影响，作为后处理步骤。换言之，这是一个特殊的“几何分析”例子，而拟议的方法同样适用于这种情况。我们可以解决原始和伴随矩阵的问题，原来的配置(无孔)和使用的理论发展在前两节学习效果加孔在每个位置是我们的目标。目的是在平均温度两个装置最大限度的差异。表2概括了利用这个理论和实际的价值。从上表可以看到，位置W是最佳地点，因为它有最低均值预期目标的功能。附录II 外文文献原文A formal theory for estimating defeaturing -induced engineering analysis errorsSankara Hari Gopalakrishnan, Krishnan SureshDepartment of Mechanical Engineering, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, United StatesReceived 13 January 2006; accepted 30 September 2006AbstractDefeaturing is a popular CAD/CAE simplification technique that suppresses small or irrelevant features within a CAD model to speed-up downstream processes such as finite element analysis. Unfortunately, defeaturing inevitably leads to analysis errors that are not easily quantifiable within the current theoretical framework.In this paper, we provide a rigorous theory for swiftly computing such defeaturing -induced engineering analysis errors. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. The proposed theory exploits the adjoint formulation of boundary value problems to arrive at strict bounds on defeaturing induced analysis errors. The theory is illustrated through numerical examples.Keywords: Defeaturing; Engineering analysis; Error estimation; CAD/CAE1. IntroductionMechanical artifacts typically contain numerous geometric features. However, not all features are critical during engineering analysis. Irrelevant features are often suppressed or defeatured, prior to analysis, leading to increased automation and computational speed-up.For example, consider a brake rotor illustrated in Fig. 1(a). The rotor contains over 50 distinct features, but not all of these are relevant during, say, a thermal analysis. A defeatured brake rotor is illustrated in Fig. 1(b). While the finite element analysis of the full-featured model in Fig. 1(a) required over 150,000 degrees of freedom, the defeatured model in Fig. 1(b) required 25,000 DOF, leading to a significant computational speed-up.Fig. 1. (a) A brake rotor and (b) its defeatured version.Besides an improvement in speed, there is usually an increased level of automation in that it is easier to automate finite element mesh generation of a defeatured component 1,2. Memory requirements also decrease, while condition number of the discretized system improves;the latter plays an important role in iterative linear system solvers 3.Defeaturing, however, invariably results in an unknown perturbation of the underlying field. The perturbation may be small and localized or large and spread-out, depending on various factors. For example, in a thermal problem, suppose one deletes a feature; the perturbation is localized provided: (1) the net heat flux on the boundary of the feature is zero, and (2) no new heat sources are created when the feature is suppressed; see 4 for exceptions to these rules. Physical features that exhibit this property are called self-equilibrating 5. Similarly results exist for structural problems.From a defeaturing perspective, such self-equilibrating features are not of concern if the features are far from the region of interest. However, one must be cautious if the features are close to the regions of interest.On the other hand, non-self-equilibrating features are of even higher concern. Their suppression can theoretically be felt everywhere within the system, and can thus pose a major challenge during analysis.Currently, there are no systematic procedures for estimating the potential impact of defeaturing in either of the above two cases. One must rely on engineering judgment and experience.In this paper, we develop a theory to estimate the impact of defeaturing on engineering analysis in an automated fashion. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. Two mathematical concepts, namely adjoint formulation and monotonicity analysis, are combined into a unifying theory to address both self-equilibrating and non-self-equilibrating features. Numerical examples involving 2nd order scalar partial differential equations are provided to substantiate the theory.The remainder of the paper is organized as follows. In Section 2, we summarize prior work on defeaturing. In Section 3, we address defeaturing induced analysis errors, and discuss the proposed methodology. Results from numerical experiments are provided in Section 4. A by-product of the proposed work on rapid design exploration is discussed in Section 5. Finally, conclusions and open issues are discussed in Section 6.2. Prior workThe defeaturing process can be categorized into three phases:Identification: what features should one suppress?Suppression: how does one suppress the feature in an automated and geometrically consistent manner?Analysis: what is the consequence of the suppression?The first phase has received extensive attention in the literature. For example, the size and relative location of a feature is often used as a metric in identification 2,6. In addition, physically meaningful mechanical criterion/heuristics have also been proposed for identifying such features 1,7.To automate the geometric process of defeaturing, the authors in 8 develop a set of geometric rules, while the authors in 9 use face clustering strategy and the authors in 10 use plane splitting techniques. Indeed, automated geometric defeaturing has matured to a point where commercial defeaturing /healing packages are now available 11,12. But note that these commercial packages provide a purely geometric solution to the problem. they must be used with care since there are no guarantees on the ensuing analysis errors. In addition, open geometric issues remain and are being addressed 13.The focus of this paper is on the third phase, namely, post defeaturing analysis, i.e., to develop a systematic methodology through which defeaturing -induced errors can be computed. We should mention here the related work on reanalysis. The objective of reanalysis is to swiftly compute the response of a modified system by using previous simulations. One of the key developments in reanalysis is the famous ShermanMorrison and Woodbury formula 14 that allows the swift computation of the inverse of a perturbed stiffness matrix; other variations of this based on Krylov subspace techniques have been proposed 1517. Such reanalysis techniques are particularly effective when the objective is to analyze two designs that share similar mesh structure, and stiffness matrices. Unfortunately, the process of 几何分析 can result in a dramatic change in the mesh structure and stiffness matrices, making reanalysis techniques less relevant.A related problem that is not addressed in this paper is that of localglobal analysis 13, where the objective is to solve the local field around the defeatured region after the global defeatured problem has been solved. An implicit assumption in localglobal analysis is that the feature being suppressed is self-equilibrating.3. Proposed methodology3.1. Problem statementWe restrict our attention in this paper to engineering problems involving a scalar field u governed by a generic 2nd order partial differential equation (PDE):A large class of engineering problems, such as thermal, fluid and magneto-static problems, may be reduced to the above form.As an illustrative example, consider a thermal problem over the 2-D heat-block assembly illustrated in Fig. 2.The assembly receives heat Q from a coil placed beneath the region identified as coil. A semiconductor device is seated at device. The two regions belong to and have the same material properties as the rest of . In the ensuing discussion, a quantity of particular interest will be the weighted temperature Tdevice within device (see Eq. (2) below). A slot, identified as slot in Fig. 2, will be suppressed, and its effect on Tdevice will be studied. The boundary of the slot will be denoted by slot while the rest of the boundary will be denoted by . The boundary temperature on is assumed to be zero. Two possible boundary conditions on slot are considered: (a) fixed heat source, i.e., (-krT).n = q, or (b) fixed temperature, i.e., T = Tslot. The two cases will lead to two different results for defeaturing induced error estimation.Fig. 2. A 2-D heat block assembly.Formally,let T (x, y) be the unknown temperature field and k the thermal conductivity. Then, the thermal problem may be stated through the Poisson equation 18:Given the field T (x, y), the quantity of interest is:where H(x, y) is some weighting kernel. Now consider the defeatured problem where the slot is suppressed prior to analysis, resulting in the simplified geometry illustrated in Fig. 3.Fig. 3. A defeatured 2-D heat block assembly.We now have a different boundary value problem, governing a different scalar field t (x, y):Observe that the slot boundary condition for t (x, y) has disappeared since the slot does not exist any morea crucial change!The problem addressed here is:Given tdevice and the field t (x, y), estimate Tdevice without explicitly solving Eq. (1).This is a non-trivial problem; to the best of our knowledge,it has not been addressed in the literature. In this paper, we will derive upper and lower bounds for Tdevice. These bounds are explicitly captured in Lemmas 3.4 and 3.6. For the remainder of this section, we will develop the essential concepts and theory to establish these two lemmas. It is worth noting that there are no restrictions placed on the location of the slot with respect to the device or the heat source, provided it does not overlap with either. The upper and lower bounds on Tdevice will however depend on their relative locations.3.2. Adjoint methodsThe first concept that we would need is that of adjoint formulation. The application of adjoint arguments towards differential and integral equations has a long and distinguished history 19,20, including its applications in control theory 21,shape optimization 22, topology optimization, etc.; see 23 for an overview.We summarize below concepts essential to this paper.Associated with the problem summarized by Eqs. (3) and (4), one can define an adjoint problem governing an adjoint variable denoted by t_(x, y) that must satisfy the following equation 23: (See Appendix A for the derivation.)The adjoint field t_(x, y) is essentially a sensitivity map of the desired quantity, namely the weighted device temperature to the applied heat source. Observe that solving the adjoint problem is only as complex as the primal problem; the governing equations are identical; such problems are called self-adjoint. Most engineering problems of practical interest are self-adjoint, making it easy to compute primal and adjoint fields without doubling the computational effort.For the defeatured problem on hand, the adjoint field plays a critical role as the following lemma summarizes:Lemma 3.1. The difference between the unknown and known device temperature, i.e., (Tdevice tdevice), can be reduced to the following boundary integral over the defeatured slot:Two points are worth noting in the above lemma:1. The integral only involves the slot boundary slot; this is encouraging perhaps, errors can be computed by processing information just over the feature being suppressed.2. The right hand side however involves the unknown field T (x, y) of the full-featured problem. In particular, the first term involves the difference in the normal gradients, i.e.,involves k(T t). n; this is a known quantity if Neumann boundary conditions kT . n are prescribed over the slot since kt. n can be evaluated, but unknown if Dirichlet conditions are prescribed. On the other hand,the second term involves the difference in the two fields,i.e., involves (T t); this is a known quantity if Dirichlet boundary conditions T are prescribed over the slot since t can be evaluated, but unknown if Neumann conditions are prescribed. Thus, in both cases, one of the two terms gets evaluated. The next lemma exploits this observation.Lemma 3.2. The difference (Tdevice tdevice) satisfies the inequalitiesUnfortunately, that is how far one can go with adjoint techniques; one cannot entirely eliminate the unknown field T (x, y) from the right hand side using adjoint techniques. In order to eliminate T (x, y) we turn our attention to monotonicity analysis.3.3. Monotonicity analysisMonotonicity analysis was established by mathematicians during the 19th and early part of 20th century to establish the existence of solutions to various boundary value problems 24.For example, a monotonicity theorem in 25 states:“On adding geometrical constraints to a structural problem,the mean displacement over (certain) boundaries does not decrease”.Observe that the above theorem provides a qualitative measure on solutions to boundary value problems.Later on, prior to the computational era, the same theorems were used by engineers to get quick upper or lower bounds to challenging problems by reducing a complex problem to simpler ones 25. Of course, on the advent of the computer, such methods and theorems took a back-seat since a direct numerical solution of fairly complex problems became feasible.However, in the present context of defeaturing, we show that these theorems take on a more powerful role, especially when used in conjunction with adjoint theory.We will now exploit certain monotonicity theorems to eliminate T (x, y) from the above lemma. Observe in the previous lemma that the right hand side involves the difference between the known and unknown fields, i.e., T (x, y) t (x, y). Let us therefore define a field e(x, y) over the region as:e(x, y) = T (x, y) t (x, y) in .Note that since excludes the slot, T (x, y) and t (x, y) are both well defined in , and so is e(x, y). In fact, from Eqs. (1) and (3) we can deduce that e(x, y) formally satisfies the boundary value problem:Solving the above problem is computationally equivalent to solving the full-featured problem of Eq. (1). But, if we could compute the field e(x, y) and its normal gradient over the slot,in an efficient manner, then (Tdevice tdevice) can be evaluated from the previous lemma. To evaluate e(x, y) efficiently, we now consider two possible cases (a) and (b) in the above equation.Case (a) Neumann boundary condition over slotFirst, consider the case when the slot was originally assigned a Neumann boundary condition. In order to estimate e(x, y),consider the following exterior Neumann problem:The above exterior Neumann problem is computationally inexpensive to solve since it depends only on the slot, and not on the domain . Classic boundary integral/boundary element methods can be used 26. The key then is to relate the computed field e1(x, y) and the unknown field e(x, y) through the following lemma.Lemma 3.3. The two fields e1(x, y) and e(x, y) satisfy the following monotonicity relationship:Proof. Proof exploits triangle inequality. Piecing it all together, we have the following conclusive lemma.Lemma 3.4. The unknown device temperature Tdevice, when the slot has Neumann boundary conditions prescribed, is bounded by the following limits whose computation only requires: (1) the primal and adjoint fields t and t_ associated with the defeatured domain, and (2) the solution e1 to an exterior Neumann problem involving the slot:Proof. Follows from the above lemmas. _Observe that the two bounds on the right hand sides are independent of the unknown field T (x, y).Case (b) Dirichlet boundary condition over slotLet us now consider the case when th