0348-倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

0348-倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設(shè)計,傘形,曝氣機,有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計 目 錄 1 緒論 1.1 前言....................................................................................................................1 1.2 有限元方法簡述.................................................................................................1 1.2.1 有限元法的發(fā)展歷史.........................................................................................2 1.2.2 有限元法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用.................................................................2 1.2.3 有限元法的新發(fā)展.............................................................................................3 1.3 倒傘型曝氣機的有限元分析現(xiàn)狀.....................................................................4 1.4 本文主要研究內(nèi)容.............................................................................................5 2 曝氣機工作原理和性能指標 2.1 國內(nèi)一些具有代表性的曝氣機產(chǎn)品及其優(yōu)缺點..........................................6 2.2 優(yōu)化設(shè)計研究現(xiàn)狀...........................................................................................8 2.2.1 優(yōu)化方法學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀.......................................................................8 2.3 曝氣機的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細分析.....................................................10 2.4 曝氣原理分析.................................................................................................12 2.5 曝氣機性能評價指標的確定.........................................................................14 3 基于ANSYS曝氣機的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計 3.1 有限元軟件ANSYS概述.................................................................................18 3.1.1 ANSYS軟件環(huán)境簡介......................................................................................18 3.1.2 ANSYS軟件主要特點......................................................................................20 3.2 倒傘型曝氣機葉片標準與二維圖形.............................................................21 3.3 曝氣機的優(yōu)化設(shè)計方法.................................................................................23 3.4 倒傘型曝氣機的有限元分析.........................................................................23 3.5 葉片材料的選擇.............................................................................................26 3.6 葉片的網(wǎng)格模型.............................................................................................27 4 總結(jié).......................................................................................................................34 參考文獻.......................................................................................................................35 致 謝.......................................................................................................................36 組裝的多相生物反應(yīng)器在實驗室示范:研究氧氣在活性污泥的轉(zhuǎn)化效率 摘要：一個凸顯經(jīng)濟因素的簡單的實驗裝置已經(jīng)裝配在真正重要的化學(xué)工程問題。研究了多相反應(yīng)器是一種活性污泥反應(yīng)器。目的是提升學(xué)生對多相反應(yīng)器的理解,氧化廢水、固體細菌群體所蘊含有機質(zhì)和氮基板,在這種類型的反應(yīng)堆可轉(zhuǎn)換為人類所需要的氧氣。氣體彌散的一個因素的重要性在操作性能和本,reactorIn覆蓋每個多相工作在這里,學(xué)生確定這一因素的影響,在裝配在考慮能源消耗(經(jīng)濟成本)的類型取決于使用都和操作條件下曝氣器對于一個給定的曝氣器提出了一個理論模型,從而使得該解釋結(jié)果基于如下假設(shè),即氣體吸收和生物化學(xué)反應(yīng)的限制措施。適合做這試驗數(shù)據(jù)的參數(shù)模型,并進行了比較,得到了允許每個類型的曝氣器的行為,同時也提供一個理解的過程。 簡介：多相反應(yīng)器的類型包括漿,滴流床、生物反應(yīng)器,在這些系統(tǒng)中,反應(yīng)氣體與液體或氣體的階段發(fā)生在一個固體催化劑表面或表面的細菌組被稱為生物絮狀沉淀。多相反應(yīng)器在兩個或者更多的階段是很有必要的,可以進行反應(yīng)。 活性污泥工藝(ASP)是一個典型的例子,對這類系統(tǒng),它是最主要的生物過程發(fā)生在二次廢水處理方法。在這個過程中,微生物氧化有機碳氮(nonoxidized生化需氧量)和總氮)基體中包含Kjeldahl廢水和用能量獲得過程中形成新的微生物。同每一個多相反應(yīng)器,在ASP組件之間轉(zhuǎn)移(氧轉(zhuǎn)移)注入氣泡(空氣)和固相(生物flocs)是至關(guān)重要的一個因素。因此,這個參數(shù),極大地影響了工藝性能和運行費用[1],而且目前其最大化是一個研究領(lǐng)域的主要興趣。ASP是一個必須的過程中使用的多相反應(yīng)器的研究gas-component因為受控條件下(氧氣)的消耗速度是常數(shù)和數(shù)學(xué)程序,用于描述的過程中,能夠簡化。如前所述,活性污泥可以使用氧氣氧化氮有機質(zhì)或nonoxidized,包括死的微生物。這個過程叫做“內(nèi)源呼吸。由于微生物濃度的污泥是非常高的,它可以被認定在轉(zhuǎn)化率是不變的，這個事實意味著,當(dāng)沒有特殊的渠道，氧速率也不變。 氧氣供給反應(yīng)堆和散布到液體使用的曝氣設(shè)備。通常使用三種曝氣步驟: 1) 機械表面充氣器。這些系統(tǒng)使用葉片的表面,攪拌反應(yīng)器和分散空氣進入液體階段、生產(chǎn)表層和次表層的湍流(圖1)。 2） 曝氣系統(tǒng)。這些增氧機使用注射系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮機的粗、細氣泡的形式(氧氣或空氣)在液體表面。這些多孔泡沫是獲得使用穿孔管及其他類似的系統(tǒng)(圖2)。 3） 噴射充氣器。這些系統(tǒng)結(jié)合空氣擴散與液體抽送。泵站系統(tǒng)使混合相(廢水生物flocs)+通過噴嘴總成。吸(或)空氣壓縮機介紹空氣進入系統(tǒng)(圖3)。 實驗 該系統(tǒng)由一個多批曝氣生物反應(yīng)器的混合和不同的元素,這是一起使用的各種測量裝置。實驗的建立是顯示在圖4。 這個生物反應(yīng)器由一個圓柱形罐做成的40-cm HDPE(30-cm直徑及高度),這是充滿了活性污泥。這酒可以獲得(游離）從任何污水處理廠?？蛇M行試驗研究兩小時左右的時間運用一種活性污泥濃度(以總懸浮固體物)的距離接近3000毫克/升。的濃度污水處理廠活性污泥中典型的范圍很廣,從1000 ~ 5000毫克/升)的總懸浮固體物。因為這個原因,污泥用于組裝可能需要被稀釋(與廢水處理)或濃了沉淀及清除的澄清區(qū))終于到達預(yù)期的濃度。此外,flocs蘊含活性污泥很快安頓,為了維護中微生物的懸架,同時減少大氣中的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)器表面,水下的離心泵泵頭0.6米,最大流量:400 L / h)作為一種攪拌器。 三種表面曝氣器檢驗裝配 一個controlled-speed模擬曝氣器(300到3000股時每分鐘轉(zhuǎn)速)攪拌 (HEINDOLPH 2000年)。得到了該風(fēng)口增氧機,是通過將一 漁業(yè)壓縮機(最大壓力:1.2米的水;最大流量:2.5 L /分鐘在標準條件下),一套管和 2-mm閥(直徑)和一些擴壓器的石頭上。在模擬射流曝氣器使用液下泵連接到一根管子。 圖一 表面曝氣器的增氧原理 圖二 擴壓曝氣器的增氧原理 兩個測量裝置是用來獲取實驗數(shù)據(jù)進行了分析。一個氧儀表用于測量溶解氧濃度(黃色),并包括一個爆炸YS52功率計,這是一種電學(xué)為測量裝置能耗,詳細描述這個裝置,隨著總是提出了一種支持指令物質(zhì)作為一個微PowerPoint文件。 圖三 噴流曝氣器的增氧原理 圖四 葉片的實驗裝置 理論依據(jù) 一般來說,反應(yīng)進行多相流反應(yīng)器包括幾個步驟。例如,在泥漿反應(yīng)器在多相流動反應(yīng)器(反應(yīng)物氣體發(fā)泡通過溶液含固體催化劑顆粒)的存在五個步驟[2]: 五個步驟[2]: 1。從氣體階段吸附進入液體的泡沫表面。 2。液相擴散的從泡面大部分的液體。 3。從散裝液體擴散的外部表面固體催化劑。 4。內(nèi)部擴散反應(yīng)物多孔催化劑。 5。在多孔催化劑內(nèi)部的反應(yīng)。 每一步都可能被認為是反應(yīng)整體速率一個阻力的的速度,所以,每一步都應(yīng)該被人知道的為了模型反應(yīng)器。多相反應(yīng)器一個數(shù)學(xué)模型通常都相當(dāng)復(fù)雜,因此要制造一個困難的一種實用的多相反應(yīng)器實驗室。所示的介紹中,一種很好的選擇用于學(xué)術(shù)用途是考慮多相生物反應(yīng)器。這些系統(tǒng)還相當(dāng)類似,除了漿反應(yīng)器固體顆粒是由微生物而不是固體催化劑顆粒。在多相生物反應(yīng),可能很危險認為,在外部物質(zhì)的傳輸?shù)难?和對固體表面工件不重要,因為flocs(微生物)的濃度非常高。 此外,內(nèi)部物質(zhì)的傳輸效果是可以忽略不計的，因為反應(yīng)主要在液體表面。 根據(jù)Henze孫俐。[3]、控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)活性污泥工藝是氧氣吸收進入的速度液相色譜與生化反應(yīng)速率。為了氧氣吸收的過程模型率(資產(chǎn)),(t) 證明用于表達: 表一:實驗進度 實驗型曝氣器的操作條件 1 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:1300每分鐘轉(zhuǎn)速 2 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:800每分鐘轉(zhuǎn)速 3 曝氣增氧機粗氣泡。最大空氣流動速度 4 曝氣增氧機細氣泡。最大空氣流動速度 在這個方程式中,傳遞系數(shù)質(zhì)量和價值取決于類型的曝氣器和上了過程操作條件下,濃度在實驗的條件是氧飽和度(這個因素取決于進行濃度的污泥,介質(zhì)的鹽度、溫度、壓力等)。在這個參數(shù)實驗的價值是假定常數(shù)。這生化反應(yīng)速率可以獲得(eq 2)加快耗氧速率由于微生物(內(nèi)源性衰變過程)基板的氧化率 考慮到這一事實,正如前文所述,兩者都做外部和內(nèi)部質(zhì)是可以忽略不計,整體 對一批質(zhì)量平衡混合生物反應(yīng)器可發(fā)展為3中顯示的情商。 在這樣的情形不是更多外部基質(zhì)這個詞可以假設(shè)為零。此外,由于內(nèi)源性衰變率也可以假定固定的時間區(qū)間應(yīng)用(3至4小時),它可以假定數(shù)值的是不變的。因此,eq 3即可簡化的eq 4。 該方程用于描述動態(tài)的變化研究了溶氧濃度的時候肖蘭的性能。當(dāng)整個曝氣器是不工作,氧氣吸收速率接近于零,因為是從大氣中最小量是通過混合系統(tǒng),其效果是考慮的術(shù)語 這術(shù)語 將氧傳質(zhì)。一個用一個類似的意義參數(shù)(盡管學(xué)生更容易理解)是標準的氧化能力(SOC),其定義是由eq6。 這個參數(shù),給出了最大氧轉(zhuǎn)移率(gO2 / s)為給定類型的曝氣器和操作條件。系統(tǒng)的效率是由一種曝氣器eq 7,在W是電源消耗(在瓦)。 操作規(guī)程 第一部分。測定微生物的呼吸率。 把油箱灌滿與活性污泥(這很容易獲得任何城市污水廠)。打開壓縮機和保持直到氧曝氣飽和度是取得了(7到8毫克/升)。關(guān)掉壓縮機混合使用和維護的液泵。氧氣濃度會降低到零。(在進行測量時間間隔1分鐘)的溶解氧的隨時間變化,直到要么是濃度為1至2毫克/升)達到或者最大實驗時間已被用完,但10分鐘。這些數(shù)據(jù)將后來的研究中使用該系統(tǒng)。 第二部分。測定不同充氣機的效率。 在這一階段的效率,不同充氣機在不同的條件下,進行了研究。關(guān)掉任何曝氣混合系統(tǒng)和維護使用液下泵。允許系統(tǒng)達到氧濃度約為6毫克/升。開關(guān)充氣機(之一的操作條件其中顯示于表格1)和測量氧氣在濃度隨時間變化的時間間隔(5秒),直到穩(wěn)態(tài)條件表達式。測量功率的消耗。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該被保存以供將來使用。重復(fù)這個過程為每個曝氣器系統(tǒng)。我們建議實驗時間表表1規(guī)定的數(shù)值被執(zhí)行。 注意安全！活性污泥法可以包含一些病原微生物;因此,我們建議使用乳液或其他塑料手套,避免衛(wèi)生問題。污泥用于會眾可以被處理的實驗室中沉沒。這些按照建議預(yù)防措施提出了建議以水環(huán)境聯(lián)合會杯[4],一個著名的作家,作品在國內(nèi)外廢水處理領(lǐng)域的權(quán)威。不過,我們已經(jīng)用了四年與這個大會超過100名學(xué)生,并且在這段經(jīng)歷,我們也沒有有經(jīng)驗的任何問題。 實驗計算 效率確定每種類型的曝氣器和操作條件的影響。計算是使用微軟Excel軟件進行試算表(如果在7.0支撐材料)。詳細描述的使用這個電子表格的試驗計算也是提供的證明材料(微軟PowerPoint文件) 在本質(zhì)上,計算過程包括評估參數(shù)的質(zhì)量平衡(微分eqs 4及5)擬合實驗實測得到的裝配這些方程式。利用微分方程進行了求解歐拉一階連續(xù)屬性離散化方法(見附件), 表2。實驗數(shù)據(jù)得到的實驗(立即給予例子)。第1部分:測定微生物的呼吸率 表3。實驗數(shù)據(jù)得到的實驗(立即給予例子)。第二部分:測定的Aerator1效率 圖5。模擬實驗與溶解氧數(shù)學(xué)擬合濃度之前。給出了實驗數(shù)據(jù) 表2。猜測值的rend-dec用于仿真是?0.001毫克/升s。 該算法是很容易實現(xiàn)在一個工作表。一個最小二乘回歸方法是用于調(diào)整價值參數(shù)。在該方法中,誤差的平方之和(社經(jīng)地位,)功能(eq 8),仿真和實驗進行了比較價值觀的溶解氧濃度、最小量是通過改變參數(shù)/ s調(diào)整一下。 作為一個例子,表2和3顯示一些實驗數(shù)據(jù)在實驗室獲得一個先前的實驗。 圖6。實驗與modeleled溶解氧concentration.數(shù)學(xué)擬合后。給出了實驗數(shù)據(jù) 表2。計算值rend-dec 0.000714毫克/升)是?s。 在從數(shù)據(jù)中可以計算出在表2(哪個對應(yīng)于第1部分的操作程序)和均衡5。在要實現(xiàn)這一計算,學(xué)生必須設(shè)一個初始任意值（一個值接近0.001 是)使用了優(yōu)化算法來確定的正確的價值(后?計算的值0.000714毫克/升)得到?s)。5和6顯示數(shù)據(jù)實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時間變化,兩者之前之后,也就是由社經(jīng)地位的最小化。它可以被觀察到模型是非常敏感的,因為大這個參數(shù)當(dāng)使用差異可以觀察到一個錯誤的值的 此外可以看出,正確的使用價值導(dǎo)致兩組數(shù)據(jù)匹配偉大的搜索性能,提出了一種情況,表明了適用性假設(shè)所用的模型中所描述的理論基礎(chǔ)部分。 為了確定的值和為每個曝氣器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)來自于表3(對應(yīng)于那些在第二部分獲得的操作程序)、eq4,獲得的價值學(xué)生必須使用這必須值和系統(tǒng)的曝氣器 (價值觀的0.01 s1和8毫克/升)是代表兩個),使用的參數(shù),分別優(yōu)化求解算法確定正確的價值觀(后這兩個參數(shù)應(yīng)用該算法,0.0144 s值1和?6.85毫克/升)獲得隨訪, 和分別)。數(shù)字第7和第8代表將實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時間,兩者分別之前和之后的() 應(yīng)用的優(yōu)化步驟。它可以被觀察到模型是非常敏感的參數(shù)值,所述以上時,使用正確的價值取向?qū)γ總€參數(shù)提供了一個準確的數(shù)據(jù)匹配。再一次地,這個論證了該模型的適用性假設(shè)中所討論的理論基礎(chǔ)部分。 圖7 .模擬實驗和數(shù)學(xué)擬合溶氧concentration.之前。給出了實驗數(shù)據(jù)見表3。猜測用于仿真是0.01毫克/升)的s。猜測用于仿真:8毫克/升 圖8 模擬實驗和數(shù)學(xué)擬合后的溶解氧濃度。計算的值是0.0144 mg/L s. ，計算的值是6.85 mg/L. 各種類型增氧機 圖9 .曝氣器的效率在不同的系統(tǒng)使用的實驗裝置。 一旦形參的值,計算了該增氧機、價值SOC和運用eqs可以計算出第6和第7條。 本程序為每個曝氣器必須重復(fù)直到數(shù)學(xué)處理的數(shù)據(jù)是完整的獲得的價值必須相似為所有的實驗都不管增氧機使用的類型。圖9所示為例,所得結(jié)果對不同曝氣器系統(tǒng)用于我們的實驗裝置。 結(jié)論 在這里我們描述了一個簡單的裝置,研究了天然氣的色散對影響生物反應(yīng)器的性能,已被多相聚集在我們的機構(gòu)。學(xué)生的理解來解釋多相反應(yīng)器,以前的課堂教學(xué)中,增加是因為這些簡單的實驗。學(xué)生的目標是評價哪一個是最有效的在中控室內(nèi)把氧氣運送到系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這個目標,學(xué)生必須監(jiān)督溶解氧隨時間,合適的結(jié)果數(shù)據(jù)到一個報道的數(shù)學(xué)模型。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)將允許的確定價值的效率(定義為標準的氧化能力每瓦特的功率消耗)的每一曝氣器系統(tǒng)。 術(shù)語 溶解氧濃度在時間t。 氧飽和濃度 質(zhì)量傳遞系數(shù) 氧氣吸收速度 凈生化反應(yīng)速率 由于微生物耗氧速率的死亡 由于耗氧速率的氧化作用的基體上。 總和平方誤差。 氧化能力標準 V 反應(yīng)器容量 W 能量功耗 曝氣器系統(tǒng)的效率 附錄 eqs進行了分析計算的目的,3號和4號必須由歐拉方程離散一階的方法。因此,鑑別術(shù)語轉(zhuǎn)化如下 3號和4號,以便eqs被轉(zhuǎn)換成eqs 10號機和11號機 該遞歸方程可以很容易地輸入一個表格(見支持材料);因此,學(xué)生可以解決的的微分方程,采用這種方法。為了盡量減少數(shù)學(xué)錯誤,整合步驟(Δt)必須非常小。我們通常推薦值設(shè)為1,s。使用此值的誤差很小給代表的成果,為系統(tǒng)行為。 1. Rodrigo, M. A.; Seco, A.; Ferrer, J.; Penya-Roja, J. M.; Valverde, J. L. Nonlinear Control of an Activated Sludge Aeration Process: Use of Fuzzy Techniques for Tuning PID Controllers. ISA Transactions, 1999, 38, 231?241 2. Fogler, H.S. Elements of Chemical Reactor Engineering, 2nd ed.; Prentice-Hall: New Jersey, 1992. 3. Henze, M.; Gujer, W.; Mino, T.; Matsuo, T.; Marais G. Activated Sludge Model no2; IAWQ Scientific and Technical Report no3; IAWQ: London, 1995; ISSN 1025-0913. 4. Water Environmental Federation. Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 11, Fifth edition; Alexandria, VA, 1996 15 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目 倒傘型曝氣機有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化 班級學(xué)號 078105135 學(xué)生姓名 周夢遠 指導(dǎo)教師 邢普 填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日 說 明 開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個專業(yè)填寫的內(nèi)容應(yīng)保持一致 一、課題依據(jù)及課題的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和 自動化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對其工作性能的要求也越來越高。這一 切都要求工程師在設(shè)計階段就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，因而需要對 結(jié)構(gòu)的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術(shù)參數(shù)進行分析計算。 例如分析計算高層建筑和大跨度橋梁在地震時所受到的影響，看看是否會發(fā)生破壞 性事故；分析計算核反應(yīng)堆的溫度場，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機 葉片內(nèi)的流體動力學(xué)參數(shù)，以提高其運轉(zhuǎn)效率。以上所有的這些都可歸結(jié)為求解物 理問題的控制偏微分方程式，但在實際中這基本上是不可能的。采用傳統(tǒng)的力學(xué)方 法只能近似地反映其受力狀況以及變形情況，遠不能滿足對其進行進一步分析的需 要。近年來在計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析(FEA， Finite Element Analysis)方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計算問題提供了有效的 途徑，是研究其可靠性、尋求最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的主要手段。從“有限元”這個名 詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷 史，其理論和算法都已經(jīng)R趨完善。有限元分析是一種預(yù)測結(jié)構(gòu)的偏移與其他應(yīng)力 影響的過程，由于有限元法的一個獨特的優(yōu)點是可以求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都任 意變化的力學(xué)問題。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離 散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分 析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實 際工程中需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。隨著計算機技術(shù)的普及和 計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視， 已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所 有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、 汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等 各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，幫助用戶解決了成千上萬個工 程實際問題，同時也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻。目前流 行的分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、 MAGSOFT、cosMOs等。其中ANSYS軟件是由世界上最大的有限元分析軟件公 司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場、熱分析于 一體的大型通用有限元分析軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD 工具之一。 當(dāng)今有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用 CAD軟件完成零件和部件的設(shè)計后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進行有限元 網(wǎng)格劃分并進行有限元分析計算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計要求則重新在CAD 軟件中進行設(shè)計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平以及效掣4J。 為了滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開 發(fā)了和著名的CAD軟件(例如Pro／ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、 SoildWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)相應(yīng)的接口。有些CAE軟件為了實 現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了 基于Parasolid內(nèi)核的實體建模技術(shù)。能和以Parasolid為核心的CAD軟件(如 Unigraphics、SolidEdgv、SolidWorks、Pro／I／)實現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。因 此ANSYS也能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro／Engineer, NASTRAN，Alogor,I--DEAS，AutoCAD等，并且已成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級 CAD工具之一。 通過與CAD軟件的無縫連接及集成使用，即在用CAD軟件完成零件和部件的 結(jié)構(gòu)設(shè)計后，以有限元分析軟件為平臺，通過建立產(chǎn)品的有限元分析模型，進行有 關(guān)的分析計算，并根據(jù)分析結(jié)果對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計。因此在設(shè)計階段較精確的預(yù) 測出產(chǎn)品的各項工程技術(shù)性能指標，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求，則重新進行 設(shè)計和分析計算，直到滿意為止。從而提高設(shè)計水平和效率，降低產(chǎn)品的成本。 就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了實用化階段。 通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù) 雜性、可靠性、經(jīng)濟性等做出迅速反應(yīng)，增加了企業(yè)的市場競爭力。計算機數(shù)值模 擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)普遍應(yīng)用。 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述） 我國在"九五"計劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率從"八五"末的20%提高到目前的70%。隨著企業(yè)CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計算機輔助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 增加設(shè)計功能，減少設(shè)計成本； 縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期； 增加產(chǎn)品和工程的可靠性； 采用優(yōu)化設(shè)計，降低材料的消耗或成本； 在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費； 進行機械事故分析，查找事故原因。 在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自行車到航天飛機，所有的設(shè)計制造都離不開有限元分析計算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計和分析中將得到越來越廣泛的重視。下圖是美國舊金山海灣大橋地震響應(yīng)計算的有限元分析模型。 發(fā)展方向及重大進展 國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十個版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強的有限元分析系統(tǒng)。從那時到現(xiàn)在，世界各地的研究機構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。當(dāng)今國際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征： 1 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題 有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題。例如當(dāng)氣流流過一個很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動……這就需要用固體力學(xué)和流體動力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂"流固耦合"的問題。 2 由求解線性工程問題進展到分析非線性問題 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實踐。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。 3 增強可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能 早期有限元分析軟件的研究重點在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展，整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少，而數(shù)據(jù)準備和運算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個包含10萬個方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但是如果用手工方式來建立這個模型，然后再處理大量的計算結(jié)果則需用幾周的時間。可以毫不夸張地說，工程師在分析計算一個工程問題時有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準備和結(jié)果分析上。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強調(diào)"可視化"的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。 4與CAD軟件的無縫集成 當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點是與通用CAD軟件的集成使用 即,在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，自動生成有限元網(wǎng)格并進行計算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求則重新進行造型和計算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。 5在Wintel平臺上的發(fā)展 早期的有限元分析軟件基本上都是在大中型計算機（主要是Mainframe）上開發(fā)和運行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺，它們的共同特點都是采用UNIX操作系統(tǒng)。PC機的出現(xiàn)使計算機的應(yīng)用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復(fù)雜工程分析的夢想成為現(xiàn)實。但是早期的PC機采用16位CPU和DOS操作系統(tǒng)，內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制，因此當(dāng)時計算模型的規(guī)模不能超過1萬階方程。Microsoft Windows操作系統(tǒng)和32位的Intel Pentium處理器的推出為將PC機用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當(dāng)前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Wintel平臺上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC機的Windows NT環(huán)境和SGI工作站上同時計算4個工程實例所需要的求解時間。從中可以看出最新高檔PC機的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。 為了將在大中型計算機和EWS上開發(fā)的有限元程序移值到PE機上，常常需要采用Hummingbird公司的一個仿真軟件Exceed。這樣做的結(jié)果比較麻煩，而且不能充分利用PC機的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如IDEAS、ADINA和R&D開始在Windows平臺上開發(fā)有限元程序，稱作"Native Windows"版本，同時還有在PC機上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開發(fā)的有限元程序包。 國內(nèi)發(fā)展情況和前景 1979年美國的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。這個高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進，一時間許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開始認識到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計算機進行分析計算的重要工具。但是當(dāng)時限于國內(nèi)大中型計算機很少，大約只有杭州汽輪機廠的Siemens7738和沈陽鼓風(fēng)機廠的IBM4310安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費用昂貴。 PC機的出現(xiàn)及其性能奇跡般的提高，為移植和發(fā)展PC版本的有限元程序提供了必要的運行平臺。可以說國內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺做文章。在國內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶（100家以上）的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農(nóng)機科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動化技術(shù)研究院的MFEP4. 0等。 但正如上面所述，國外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對PC平臺不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對國內(nèi)FEA程序開發(fā)者來說發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢，而應(yīng)該從下面幾方面加以努力： 1 研究開發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的FEA程序 經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在研究的前沿問題是流體動力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問題。由于國內(nèi)沒有類似功能的商品化軟件，所以國外的軟件就賣得非常貴。為了破這種壟斷局面，我們必須發(fā)展有自主版權(quán)、用于分析流體等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的軟件。因為流體力學(xué)問題遠比固體復(fù)雜得多，而且很少有現(xiàn)成的軟件可以借鑒，所以需要投入大量的人力和經(jīng)費。這就必須有國家和大型企業(yè)集團來支持。 2 開發(fā)具有中國特色的自動建模技術(shù)和GUI 開發(fā)建模技術(shù)和GUI的投入比前述課題要少得多，但卻可以大大提高FEA軟件的性能和用戶接受程度，從而起到事半功倍的效果。國內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時PC機上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開發(fā)的效果都不甚理想。 Windows中提供了OpenGL圖形標準，為在PC機上應(yīng)用可視化圖形技術(shù)開發(fā)GUI提供了強有力的工具。OpenGL是當(dāng)今國際上公認的高性能圖形和交互式視景處理標準，應(yīng)用它開發(fā)出來的三維圖形軟件深受專業(yè)技術(shù)人員的鐘愛，目前世界上占主導(dǎo)地位的計算機公司都采用了這一標準。正如前面所述，近年來國外有的FEA程序已拋開仿真軟件，直接在Windows平臺上開發(fā)有限元程序。杭州自動化技術(shù)研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標準和相應(yīng)的Visual C++等編程工具，在PC機上成功地開發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀地通過對"菜單"、"窗口"、"對話框"和"圖標"等可視圖形畫面和符號的操作，自動建立有限元分析模型，并以交互方法式實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化處理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精確性，也便于用戶學(xué)習(xí)和掌握。 3 與具有我國自主版權(quán)的CAD軟件集成 前面已經(jīng)講過，當(dāng)今有限元方法的一個重要特點是和CAD軟件的無縫集成。作為我國自行開發(fā)的FEA程序，首先要考慮和我國自主版權(quán)的CAD軟件集成。因為有限元分析主要用于形狀比較復(fù)雜的零部件，所以要和具有三維造型功能和CAD軟件集成，使設(shè)計和分析緊密結(jié)合、融為一體。目前國內(nèi)二維設(shè)計的繪圖軟件較多，但是真正具有三維造型功能的CAD軟件只有浙江大學(xué)大天電子信息系統(tǒng)工程公司的GS-MCADII。該軟件已在機械、航天、輕工等行業(yè)和科研單位得到了廣泛的應(yīng)用，列為國家"863"高技術(shù)CIMS主題主推產(chǎn)品，并獲得全國第二屆自主版權(quán)CAD軟件評測最高獎。目前我們正努力實現(xiàn)自己的FEA軟件和GS-MCADII的無縫集成，爭取打破國外CAD集成軟件系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面。 三、研究內(nèi)容及實驗方法： 用ANSYS對倒傘型曝氣機的葉片進行有限元建模分析，引用其結(jié)果對葉片進行優(yōu)化設(shè)計。（1）用CAD建立葉片的二維圖形。（2）用UG建立葉片的三維立體模型。（3）把三維圖用IGES格式導(dǎo)入ANSYS進行有限元分析。（4）對其結(jié)果優(yōu)化設(shè)計。 主要內(nèi)容： 1、 有限元軟件ANSYS的概念 2、 ANSYS軟件主要特點 3、 曝氣機的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細分析 4、ANSYS曝氣機的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計 4、 目標、主要特色及工作進度: 1、查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開題報告 第1周-第2周 2、運動及動力參數(shù)計算 第3周-第4周 3、用UG/Solidworks對系統(tǒng)進行實體建模和設(shè)計 第5周-第6周 4、有限元分析（ANSYS） 第7周-第9周 5、曝氣機優(yōu)化設(shè)計 第10周-第11周 6、繪制零、部件圖，裝配圖 第12周-第13周 7、畢業(yè)論文撰寫 第14周-第16周 8、答辯準備及論文答辯 第17周-第17周 五、參考文獻 1 王昆 機械設(shè)計課程設(shè)計 北京 高等教育出版社 2006 2 濮良貴 機械設(shè)計 北京 高等教育出版社 2007 3 倒傘型表面曝氣機 JB/T10670-2006 4 邢普等 非等角對數(shù)螺旋線攪拌葉片的實驗研究 工程設(shè)計學(xué)報 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 張中和，氧氣曝氣國內(nèi)外發(fā)展概況，上海市政工程，1999年2月第1期 7 孫靖民，機械優(yōu)化設(shè)計，機械工業(yè)出版社1989年2月 8 劉惟信，孟嗣宗，機械最優(yōu)化設(shè)計，清華大學(xué)出版社，1986年9月第1版 9 謝慶生，羅延科，李屹編著，機械工程模糊優(yōu)化方法，機械工業(yè)出版社，2001年7月第一版 10 樊會元，席光，王尚錦，遺傳算法在流體機械設(shè)計中的應(yīng)用，機械科學(xué)與技術(shù)2000年11月第6期 11 邱棟，徐志梁，CAE的發(fā)展及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，家電科技，2004年第4期 12 程耿東，顧元憲，王健，我國機械優(yōu)化應(yīng)用研究的綜述和展望，機械強度，1995年第17卷第2期 13 朱伯芳，復(fù)雜結(jié)構(gòu)滿應(yīng)力設(shè)計的浮動應(yīng)力指數(shù)法.固體力學(xué)學(xué)報.1984年5卷第2期；255-261 14 王光遠，周正源，霍達.結(jié)柯設(shè)計的兩相優(yōu)化法.力學(xué)學(xué)報，1983年15卷第4期；376-386 15 李康元，結(jié)構(gòu)優(yōu)化中處理約束的統(tǒng)一公式.計算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用，1991年8 卷第2期；178-185