倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),傘形,曝氣機(jī),有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題目 倒傘型曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 078105135
學(xué)生姓名 周夢(mèng)遠(yuǎn)
指導(dǎo)教師 邢普
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
說(shuō) 明
開(kāi)題報(bào)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(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)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(gè)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(jī)械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和
自動(dòng)化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)其工作性能的要求也越來(lái)越高。這一
切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確地預(yù)測(cè)出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，因而需要對(duì)
結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。
例如分析計(jì)算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會(huì)發(fā)生破壞
性事故；分析計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場(chǎng)，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機(jī)
葉片內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。以上所有的這些都可歸結(jié)為求解物
理問(wèn)題的控制偏微分方程式，但在實(shí)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(yuǎn)不能滿足對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析的需
要。近年來(lái)在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來(lái)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(jì)算問(wèn)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(jì)方案的主要手段。從“有限元”這個(gè)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(cè)結(jié)構(gòu)的偏移與其他應(yīng)力
影響的過(guò)程，由于有限元法的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(wèn)題。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)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(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分
析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)
際工程中需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和
計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，
已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所
有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、
汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等
各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，幫助用戶解決了成千上萬(wàn)個(gè)工
程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)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(xiàn)。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(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、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(jì)中的高級(jí)CAD 工具之一。
當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元
網(wǎng)格劃分并進(jìn)行有限元分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新在CAD
軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)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(wèn)題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開(kāi)
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(shí)
現(xiàn)和CAD軟件的無(wú)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(shí)體建模技術(shù)。能和以Parasolid為核心的CAD軟件(如
Unigraphics、SolidEdgv、SolidWorks、Pro／I／)實(shí)現(xiàn)真正無(wú)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(shí)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(jì)中的高級(jí)
CAD工具之一。
通過(guò)與CAD軟件的無(wú)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(jì)后，以有限元分析軟件為平臺(tái)，通過(guò)建立產(chǎn)品的有限元分析模型，進(jìn)行有
關(guān)的分析計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)階段較精確的預(yù)
測(cè)出產(chǎn)品的各項(xiàng)工程技術(shù)性能指標(biāo)，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則重新進(jìn)行
設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，直到滿意為止。從而提高設(shè)計(jì)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(dá)國(guó)家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。
通過(guò)CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場(chǎng)產(chǎn)品的多樣性、復(fù)
雜性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng)，增加了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。計(jì)算機(jī)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(shí)踐中已經(jīng)普遍應(yīng)用。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）
我國(guó)在"九五"計(jì)劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機(jī)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(jì)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算機(jī)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(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；
縮短設(shè)計(jì)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(jì)，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(wèn)題；
模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；
進(jìn)行機(jī)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(jī)，所有的設(shè)計(jì)制造都離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計(jì)和分析中將得到越來(lái)越廣泛的重視。下圖是美國(guó)舊金山海灣大橋地震響應(yīng)計(jì)算的有限元分析模型。
發(fā)展方向及重大進(jìn)展
國(guó)際上早20世紀(jì)在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）在1965年委托美國(guó)計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開(kāi)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(gè)版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的有限元分析系統(tǒng)。從那時(shí)到現(xiàn)在，世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國(guó)的ASKA、英國(guó)的PAFEC、法國(guó)的SYSTUS、美國(guó)的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。當(dāng)今國(guó)際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)特征：
1 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)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(lái)，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)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(duì)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(lái)有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。例如當(dāng)氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的流動(dòng)……這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)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(wèn)題。
2 由求解線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)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(wèn)題；航天和動(dòng)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(wèn)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(jì)算理論就不足以解決遇到的問(wèn)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(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開(kāi)發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專長(zhǎng)于求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫(kù)。
3 增強(qiáng)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(diǎn)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(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問(wèn)題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個(gè)包含10萬(wàn)個(gè)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(lái)建立這個(gè)模型，然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時(shí)間?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問(wèn)題時(shí)有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強(qiáng)調(diào)"可視化"的今天，很多程序都建立了對(duì)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(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)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(wú)縫集成
當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)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(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)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(gè)在以前無(wú)法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問(wèn)題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開(kāi)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(tái)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(jì)算機(jī)（主要是Mainframe）上開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的，后來(lái)又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺(tái)，它們的共同特點(diǎn)都是采用UNIX操作系統(tǒng)。PC機(jī)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)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(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。但是早期的PC機(jī)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(shí)計(jì)算模型的規(guī)模不能超過(guò)1萬(wàn)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(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺(tái)。因此當(dāng)前國(guó)際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Wintel平臺(tái)上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC機(jī)的Windows NT環(huán)境和SGI工作站上同時(shí)計(jì)算4個(gè)工程實(shí)例所需要的求解時(shí)間。從中可以看出最新高檔PC機(jī)的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。
為了將在大中型計(jì)算機(jī)和EWS上開(kāi)發(fā)的有限元程序移值到PE機(jī)上，常常需要采用Hummingbird公司的一個(gè)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(jī)的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如IDEAS、ADINA和R&D開(kāi)始在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)有限元程序，稱作"Native Windows"版本，同時(shí)還有在PC機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開(kāi)發(fā)的有限元程序包。
國(guó)內(nèi)發(fā)展情況和前景
1979年美國(guó)的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國(guó)內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來(lái)分析計(jì)算工程問(wèn)題的高潮。這個(gè)高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，一時(shí)間許多一直無(wú)法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的重要工具。但是當(dāng)時(shí)限于國(guó)內(nèi)大中型計(jì)算機(jī)很少，大約只有杭州汽輪機(jī)廠的Siemens7738和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠的IBM4310安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費(fèi)用昂貴。
PC機(jī)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(yùn)行平臺(tái)。可以說(shuō)國(guó)內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺(tái)做文章。在國(guó)內(nèi)開(kāi)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(guó)農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4. 0等。
但正如上面所述，國(guó)外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對(duì)PC平臺(tái)不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)FEA程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢(shì)，而應(yīng)該從下面幾方面加以努力：
1 研究開(kāi)發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的FEA程序
經(jīng)過(guò)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(wèn)題是流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問(wèn)題。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有類似功能的商品化軟件，所以國(guó)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?yàn)榱黧w力學(xué)問(wèn)題遠(yuǎn)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(fèi)。這就必須有國(guó)家和大型企業(yè)集團(tuán)來(lái)支持。
2 開(kāi)發(fā)具有中國(guó)特色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI
開(kāi)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(guó)內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時(shí)PC機(jī)上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開(kāi)發(fā)的效果都不甚理想。
Windows中提供了OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，為在PC機(jī)上應(yīng)用可視化圖形技術(shù)開(kāi)發(fā)GUI提供了強(qiáng)有力的工具。OpenGL是當(dāng)今國(guó)際上公認(rèn)的高性能圖形和交互式視景處理標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的三維圖形軟件深受專業(yè)技術(shù)人員的鐘愛(ài)，目前世界上占主導(dǎo)地位的計(jì)算機(jī)公司都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，近年來(lái)國(guó)外有的FEA程序已拋開(kāi)仿真軟件，直接在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)有限元程序。杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的Visual C++等編程工具，在PC機(jī)上成功地開(kāi)發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀地通過(guò)對(duì)"菜單"、"窗口"、"對(duì)話框"和"圖標(biāo)"等可視圖形畫面和符號(hào)的操作，自動(dòng)建立有限元分析模型，并以交互方法式實(shí)現(xiàn)計(jì)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(guó)自主版權(quán)的CAD軟件集成
前面已經(jīng)講過(guò)，當(dāng)今有限元方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是和CAD軟件的無(wú)縫集成。作為我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的FEA程序，首先要考慮和我國(guó)自主版權(quán)的CAD軟件集成。因?yàn)橛邢拊治鲋饕糜谛螤畋容^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(jì)和分析緊密結(jié)合、融為一體。目前國(guó)內(nèi)二維設(shè)計(jì)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(jī)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(guó)家"863"高技術(shù)CIMS主題主推產(chǎn)品，并獲得全國(guó)第二屆自主版權(quán)CAD軟件評(píng)測(cè)最高獎(jiǎng)。目前我們正努力實(shí)現(xiàn)自己的FEA軟件和GS-MCADII的無(wú)縫集成，爭(zhēng)取打破國(guó)外CAD集成軟件系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面。
三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法：
用ANSYS對(duì)倒傘型曝氣機(jī)的葉片進(jìn)行有限元建模分析，引用其結(jié)果對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（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(jìn)行有限元分析。（4）對(duì)其結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容：
1、 有限元軟件ANSYS的概念
2、 ANSYS軟件主要特點(diǎn)
3、 曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細(xì)分析
4、ANSYS曝氣機(jī)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
4、 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度:
1、查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開(kāi)題報(bào)告 第1周-第2周
2、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 第3周-第4周
3、用UG/Solidworks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模和設(shè)計(jì) 第5周-第6周
4、有限元分析（ANSYS） 第7周-第9周
5、曝氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(zhǔn)備及論文答辯 第17周-第17周
五、參考文獻(xiàn)
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2 濮良貴 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2007
3 倒傘型表面曝氣機(jī) JB/T10670-2006
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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1緒論
1．1前言
CAE(Computer Aided Engineering)技術(shù)，即計(jì)算機(jī)輔助工程稃技術(shù)，是一個(gè)涉及面廣、集多種學(xué)科與工程技術(shù)于一體的綜合性，知識(shí)密集犁技術(shù)。相應(yīng)的CAE軟件則是包含了數(shù)值計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、工程分析與仿真在內(nèi)的綜合型軟件系統(tǒng)。
CAE技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力是CAD＼CAM技術(shù)水平和應(yīng)用水平的提高，CAE技術(shù)的發(fā)展條件是計(jì)算機(jī)及圖形顯示設(shè)備的推出，CAE軟件的理論基礎(chǔ)是有限元、邊界元法等現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)方法，其核心內(nèi)容是計(jì)算機(jī)模擬利仿真。本文的理論依據(jù)來(lái)自有限元法。
1．2有限元方法簡(jiǎn)述
結(jié)構(gòu)分析的目的是為了弄清楚結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在承受一定載荷下的物理響應(yīng)，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)分析方法可分為兩大類：經(jīng)典法和數(shù)值法。
經(jīng)典法是精確解法和近似解法。即在給定邊界條件下直接采用控制微分方程來(lái)求解工程問(wèn)題，其方程是基于物理原理而建立的。閉合硝精確解僅對(duì)幾何形狀、載荷與邊界條件最簡(jiǎn)單的情況才可得到。近似解法是對(duì)控制微分方程求得近似解，采用適當(dāng)截?cái)嗾`差的級(jí)數(shù)展開(kāi)式表達(dá)。它同樣要求有規(guī)則的兒何形狀、簡(jiǎn)單邊界條什以及簡(jiǎn)單載荷。經(jīng)典法雖可求得某些經(jīng)典問(wèn)題，但遠(yuǎn)離大多數(shù)實(shí)際工程問(wèn)題，經(jīng)典法的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一類問(wèn)題的解來(lái)得到對(duì)此類問(wèn)題的深刻認(rèn)識(shí)。
數(shù)值法有能量法、邊界元法、有限元法等。其中有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)，是近三、四十年隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的戍用于各種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計(jì)算方法。它運(yùn)用離散概念，把彈性連續(xù)體劃分為一個(gè)由若干有限單元的集合體，通過(guò)單元分析和組合，得到一組聯(lián)立代數(shù)方稃，最后求得數(shù)值解，它通過(guò)采用多種規(guī)則形狀的單元米處理實(shí)際上無(wú)限制的任何問(wèn)題。這些單元可組合成近似的任何不規(guī)則邊界。類似地，任何類型的載荷和約束條件也可提供。有限元法是工程上運(yùn)用最為成功、最為廣泛的一種數(shù)值計(jì)算法。
1．2．1有限元法的發(fā)展歷史
從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，有限元法基本思想的提出，可以從1943年Courant的開(kāi)創(chuàng)性工作為標(biāo)志。他第一次嘗試應(yīng)用在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和晟小位能原理相結(jié)合，來(lái)求解扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。從應(yīng)用角度來(lái)看，有限元法的第一個(gè)成功嘗試，是將鋼架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問(wèn)題，這是Turner、Clough等人在1956年分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問(wèn)題的正確解答。他們的研究工作打開(kāi)了利用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜平面彈性問(wèn)題的新局面。1960年Clough迸一步處理了平面彈性問(wèn)題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱，使人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)有限單元法的功效。
1960年以后，隨電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和I發(fā)展。有限元法的發(fā)展速度才顯著加快。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，理論上，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的一種普遍方法。實(shí)踐上，有限元法已經(jīng)應(yīng)用于許多學(xué)科，已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展劍空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題。由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展劍穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從嗣體力學(xué)擴(kuò)展到液體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合．
1．2．2有限元法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析往往局限于簡(jiǎn)化條件下．用解析法求解問(wèn)題，即將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為許多便于計(jì)算的“平面結(jié)構(gòu)”或進(jìn)行截?cái)?、分解成各個(gè)單一的零部件。如。軒系、柱，板、殼、塊體”等．運(yùn)用材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等相應(yīng)理論進(jìn)行分析，從中得出一些計(jì)算公式，再按公式計(jì)算各處參量。由于作了過(guò)多地簡(jiǎn)化，計(jì)算模犁構(gòu)造得非常簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果往往粗略，與實(shí)際情況相著較大。而有限元方法卻能對(duì)檔體結(jié)構(gòu)建立精確模型進(jìn)行分析，如飛機(jī)、船舶、橋梁、大壩、壓力容器，海洋平臺(tái)等。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能較準(zhǔn)確描述鈹分析物的結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀、約束條件和受力特征。在正確建模的基礎(chǔ)上，不僅可以得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果而且還可對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的麻力、應(yīng)變和位移分布、模態(tài)等進(jìn)行可視化觀察。
由有限元分析所得到的計(jì)算結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。采用有限元分析可以取代以往的以試驗(yàn)方法所進(jìn)行的力學(xué)分析，與試驗(yàn)驗(yàn)證相比，有限元應(yīng)力分析更容易和更準(zhǔn)確地得到諸如應(yīng)力分布、應(yīng)力水平、屈服區(qū)域等；同時(shí)有限元方法可以計(jì)算出構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力(這對(duì)試驗(yàn)方法來(lái)說(shuō)非常凼雉)，人們可以按照某一點(diǎn)、某一條線或某一個(gè)平面進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有針對(duì)性，達(dá)劍既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。它不但可以解決工程中的線性問(wèn)題、非線性問(wèn)題，如塑性、屈曲、蠕變、熱塑性、過(guò)屈曲、斷裂、沖擊、穿透、疲勞、流固耦合、剛?cè)狍w耦臺(tái)等。而且對(duì)于各神不同性質(zhì)的材料，如備向異性，各向同性、粘彈性和粘塑性材料以及流體均能求解。另外，對(duì)過(guò)程中展有普遍意義的非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題也能求解，甚至還可以模擬構(gòu)件之間的高速碰撞、炸藥的爆炸、燃燒和應(yīng)力波的傳播。有限元法也有不足之處，例如對(duì)一特殊問(wèn)題只能求得一個(gè)具體的數(shù)值結(jié)果，不能得到不同的參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)的反饋；而且構(gòu)造一個(gè)對(duì)真實(shí)問(wèn)題盡可能逼近的有限元模型．需要豐富的有限元建模經(jīng)驗(yàn)和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的準(zhǔn)確判斷。這不僅僅是有限元法才有的缺點(diǎn)，而且也不影響有限元法在工程技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
到目前為止，人們己非常成功地朋有限元法實(shí)現(xiàn)了各式各樣工程問(wèn)題的計(jì)算。在機(jī)械工稃中，已經(jīng)計(jì)算分析了機(jī)床、齒輪、汽車變速器、內(nèi)燃機(jī)曲軸、水輪機(jī)葉片、汽車車架等。所有這些應(yīng)用都大大地為設(shè)計(jì)人員提高產(chǎn)品質(zhì)量。加快新產(chǎn)品研制步伐，節(jié)約人工與材料無(wú)不起到不可估鼙的作用，由此產(chǎn)生或帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)應(yīng)運(yùn)而生的有限元分析軟什多達(dá)幾百種，其中國(guó)內(nèi)外著名的有ANSYS、NASTRAN，Algor、COSMOS／Works、ABAQHS、ASKA、I—DEAS等包含了各種條件下的有限元分析程序，它們使用方便，計(jì)算精度高．其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。
1．2．3有限元法的新發(fā)展
計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展是有限元法賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，其它領(lǐng)域的一些新思想、新方法已開(kāi)始引入有限元法。計(jì)算技術(shù)的最新發(fā)展特別是圖形和圖像處理能力、并行計(jì)算能力從根本上改變了有限元法在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的深度和廣度。
l、隨機(jī)有限元法。隨機(jī)有限元法是將概率論、隨機(jī)過(guò)程和數(shù)理統(tǒng)計(jì)引入有限元 法，使其數(shù)一學(xué)模型更接近實(shí)際，因?yàn)樗紤]了材料、尺寸、形狀、邊界條件、載荷、工作環(huán)境等參數(shù)所具有的隨機(jī)性、分散性和I時(shí)間性。隨機(jī)有限元主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助可靠性設(shè)計(jì)分析、隨機(jī)過(guò)程和可靠性分析應(yīng)用最廣泛的疲勞壽命預(yù)估和裂紋擴(kuò)展問(wèn)題。
2、模糊有限元法。由于有限元建立的結(jié)構(gòu)模型其輸入信息(如材料性質(zhì)、幾何形狀、邊界條件、載荷信息)方面的不確定性和模糊性，而將模糊數(shù)學(xué)引入有限元法。模糊有限元法尤其適用于優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。
3、自適應(yīng)有限元法。自適應(yīng)有限元法是一種根據(jù)中間計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整算法以改進(jìn)求解過(guò)程的數(shù)值方法。主要有誤著估計(jì)、白適戍網(wǎng)格改進(jìn)、非線性問(wèn)題中載荷增量的自適應(yīng)選取及瞬態(tài)問(wèn)題中時(shí)間步長(zhǎng)的自適麻調(diào)幫。
4、網(wǎng)格自動(dòng)生成專家系統(tǒng)。由于給定問(wèn)題的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)粟的精確度在相當(dāng)揮度上取決于計(jì)算模型是否合理，包括單元類刑的選用、節(jié)點(diǎn)的布局、網(wǎng)格線的生成、載荷的簡(jiǎn)化以及邊界條件的模擬等。岡此，有限元計(jì)算的單元節(jié)點(diǎn)配置和劃分需要相對(duì)多的經(jīng)驗(yàn)和正確的判斷，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成專家系統(tǒng)就岡此而發(fā)展起來(lái)。
5、基于知識(shí)的有限元法。基于知識(shí)的有限元法就是基于人]：智能知識(shí)的專家系統(tǒng)有限元法。該系統(tǒng)輸入專家的經(jīng)驗(yàn)?zāi)辍的知識(shí)、訣竅，建立了以有限元方法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析輔助系統(tǒng)——智能化前端系統(tǒng)和模型化系統(tǒng)，建立了綜合模型化、數(shù)值求解和對(duì)數(shù)值結(jié)果的解釋、評(píng)價(jià)于一體的基?。R(shí)的新型分析系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可幫助結(jié)構(gòu)分析人員初選模型．自動(dòng)修改模型和選擇用在分析中的合適算法。
6、并行有限元算法。因大型并行計(jì)算機(jī)和可以作并行處理的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，導(dǎo) 致了有限元的分析方法和求解策略的相應(yīng)變化。為了適應(yīng)并行處理的多指令，多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，發(fā)展了有限元分析的并行化過(guò)程，包括有限元分析原有的各個(gè)步驟：生成單元矩陣；組裝總體方程；求解方程組；給出節(jié)點(diǎn)位移、速度和加速度；單元的應(yīng)變、應(yīng)力及其它響應(yīng)。運(yùn)用并行有限元計(jì)算可成倍提高有限元法在傳統(tǒng)串行計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行速度，故它是高效能的，使得許多串行計(jì)算機(jī)和串行算法不能求解或求解不好的大型和巨型復(fù)雜工程問(wèn)題能得到滿意解答。
1．3倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析現(xiàn)狀
雖然在工作中曝氣機(jī)破壞的可能性比較小，但是它的剛性對(duì)曝氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性起著決定作用，而且影響葉片工作狀況。文獻(xiàn)9用有限元法建立了Q235A材料的葉片靜力學(xué)模型，用I—D E A S軟件對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，指出了葉片薄弱的原因．改造了葉片結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度有了顯著的提高，制造成本有較大的降低，并驗(yàn)證了原有Q235A鋼材的性能。文獻(xiàn)10應(yīng)用幾何造型設(shè)計(jì)條件系統(tǒng)(MDT)建立了MX—l型曝氣機(jī)的實(shí)體模型，通過(guò)計(jì)算得出葉片的受力情況，在有限元分析條件ANSYS系統(tǒng)中進(jìn)行了有限元分析，實(shí)踐證明，使朋MDT／ANSYS集成對(duì)葉片建模和受力分析對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有重要意義。文獻(xiàn)11著重介紹了曝氣機(jī)和葉片等的幾種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，通過(guò)這些方法可使曝氣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平得到極大提高。文獻(xiàn)12運(yùn)用有限元二維實(shí)體元素與平板殼元素組合，建立了曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，并對(duì)Q235A鋼材的葉片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析。文獻(xiàn)13對(duì)倒傘型曝氣機(jī)的葉片建立了計(jì)算模型，用有限元法計(jì)算了強(qiáng)度和剛度，獲得了曝氣機(jī)葉片在最大載荷作用下各部位的應(yīng)力和變形的分布情況。得到了葉片在正轉(zhuǎn)情況下的應(yīng)力、變形情況以及葉片崩有頻率和振型，并對(duì)原有葉片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使曝氣機(jī)的重量有較大減輕，葉片結(jié)構(gòu)更為合理。
1．4本文主要研究?jī)?nèi)容
本文研究對(duì)象為倒傘型曝氣機(jī)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，倒傘型曝氣機(jī)在進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其葉片所受到的壓力是最大的。葉片作為倒傘型曝氣機(jī)的重要部件，其設(shè)計(jì)可靠性和合理性成為整個(gè)倒傘型曝氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。因此需要對(duì)箱體進(jìn)行有限元靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，為故障的排除提供幫助，并為葉片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供有關(guān)數(shù)據(jù)。本文所做的主要工作如下：
l、學(xué)習(xí)有限元數(shù)值方法，了解國(guó)際上通用的有限元分析軟件，掌握有限元軟件ANSYS的使用。
2、查閱有關(guān)倒傘型曝氣機(jī)有限元分析的文獻(xiàn)，吸取其中好的經(jīng)驗(yàn)和方法，為自己的分析研究做準(zhǔn)備，
3、利用ANSYS軟件的建模功能建立葉片的有限元模型，進(jìn)行葉片的靜態(tài)分析，考察葉片的強(qiáng)度和剛度。
4、對(duì)葉片進(jìn)行模態(tài)分析，獲得X,Y，Z方向變形圖，分析所得結(jié)果。
5、運(yùn)用APDL建模，以葉片的體積(質(zhì)營(yíng))為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，判斷分析的收斂性，分析優(yōu)化結(jié)果。
2 曝氣機(jī)工作原理和性能指標(biāo)
2.1 國(guó)內(nèi)一些具有代表性的曝氣機(jī)產(chǎn)品及其優(yōu)缺點(diǎn)
a.表面曝氣機(jī)(豎直軸)
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1.1，其中圖中標(biāo)號(hào):1一電機(jī)，2一葉輪，3一浮塊，4一葉輪罩殼，5一導(dǎo)流管，6一平衡板，7一葉輪軸，8一下連接盤，9一上連接盤，10一聯(lián)接長(zhǎng)螺栓。工作時(shí)表面曝氣機(jī)置于水中，電機(jī)位于水面以上，葉輪下半部位于水下，電機(jī)直接帶動(dòng)葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，使污水池中具有活性物質(zhì)的污水，不斷地由導(dǎo)流管下部吸入，在葉輪作用下向上提升，并從上下連接盤間呈拋物線形噴出，形成水幕，把大量的空氣帶入水中，達(dá)到高效增氧的目的。
表面曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維修方便。缺點(diǎn)是曝氣效果主要局限于上層水面，氣泡碎化不明顯，曝氣效率不高，不能進(jìn)行深層曝氣。
b.潛水曝氣機(jī)(豎直軸)
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1.1，其中圖中標(biāo)號(hào):1一潛水電機(jī)，2一泵殼，3一葉輪，4一動(dòng)力輸出軸，5一負(fù)壓罩，6一進(jìn)氣管，7一進(jìn)水導(dǎo)向漏斗，8一機(jī)座，9一出水口，10一入水口。工作的時(shí)候，水下的潛水電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)離心的葉輪，通過(guò)進(jìn)氣管從外界吸入空氣溶入水中。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)使周圍的水通過(guò)出水口流到周圍水域中，周圍水域的水又通過(guò)進(jìn)水導(dǎo)向漏斗和入水口流到葉輪周圍，在這個(gè)過(guò)程中使空氣浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論溶入到水中。潛水曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，氣泡碎化效果好，曝氣效率高。缺點(diǎn)是只能用于專門的污水處理池曝氣，對(duì)于軟質(zhì)的河床，池塘等不能安放曝氣。
c.轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)(水平軸)
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1，3，其中圖中標(biāo)號(hào):1一曝氣盤，2一空心轉(zhuǎn)軸，3一齒輪式減速電動(dòng)機(jī)，4一聯(lián)軸器，5一軸承座。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)支撐在軸承座上的空心轉(zhuǎn)軸和曝氣盤轉(zhuǎn)動(dòng)。曝氣盤有一部分浸入在水中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使水域中的水借助曝氣盤甩向空中，使水和空氣進(jìn)行混合。曝氣盤的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)附近水域的流動(dòng)。
轉(zhuǎn)碟式曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，服務(wù)面積大，氣泡碎化效果好。缺點(diǎn)是安裝不方便，只能用于專門的污水處理池，無(wú)法在河流，池塘，湖泊中應(yīng)用。曝氣效果主要局限于上層水面，無(wú)法進(jìn)行深層曝氣。
d.倒傘曝氣機(jī)(豎直軸)
結(jié)構(gòu)如下圖14所示，其中圖中標(biāo)號(hào):1一電動(dòng)機(jī)，2一聯(lián)軸器，3一減速箱，4一潤(rùn)滑系統(tǒng)，5一升降平臺(tái)，6一地基平面，7一靜水面，8一倒傘座，9一葉輪。
倒傘曝氣機(jī)由機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，葉輪上均布的八個(gè)葉片環(huán)向推流甩水。但到目前，包括美國(guó)、德國(guó)和荷蘭在內(nèi)的發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的倒傘曝氣機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、葉輪形狀、安裝方式及動(dòng)力效率幾乎都徘徊在原有水平，未曾有大的突破。由于攪拌葉片基本都是采用大角度倒錐、寬葉片直輻射布置。相應(yīng)的攪拌和提升能力較弱，完全依靠平推能力是不可能完全阻止污泥在氧化溝中的沉降的。只有在處理水域的周邊形成輻射循環(huán)外，還能形成水域的上下循環(huán)，才能更好的使空氣中的氧溶入水中，讓有機(jī)物、微生物和氧之間充分混合、接觸，從而達(dá)到凈化的目的。
要想更好的實(shí)現(xiàn)四周和向下的推流，形成更大的空穴，挾裹更多的空氣進(jìn)入，并且使氣泡碎化，需要不等變徑，按照一定規(guī)律排列的弧面葉片組合。經(jīng)過(guò)我們初步的研究發(fā)現(xiàn)，變徑曲面弧形葉片，按照非等變角對(duì)數(shù)螺旋線升序排列，具有更為優(yōu)越的推流攪拌能力，由于葉片的流體特性，能形成載流體的旋流和噴射，從而擁有更加優(yōu)良的充氧曝氣性能，并且這種組合也有利于降低功率的損耗，值得進(jìn)一步深入研究。
大功率倒傘曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，服務(wù)面積大。缺點(diǎn)是安裝不方便，只能用于專門的污水處理池，氣泡碎化效果不明顯，曝氣效率低。本文所研究的曝氣機(jī)也是豎直軸的，綜合了以上一些曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工作場(chǎng)合沒(méi)有具體限制，是一種性能非常優(yōu)良的新型曝氣機(jī)。其結(jié)構(gòu)和工作原理將在第二章第2五節(jié)中具體闡述。
2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀
2.2.1 優(yōu)化方法學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
優(yōu)化設(shè)計(jì)是60年代初發(fā)展起來(lái)的一門新學(xué)科，它是將最優(yōu)化原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。利用這種設(shè)計(jì)方法。人們可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的一個(gè)重要領(lǐng)域，它己廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門。
優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展至今已經(jīng)有多個(gè)分支，60年代在數(shù)學(xué)規(guī)劃方法(包括線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃)和電子計(jì)算機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的最優(yōu)化方法，目前最優(yōu)化方法己被廣泛應(yīng)用。最優(yōu)化設(shè)計(jì)工作包含以下兩部分內(nèi)容：
1.問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)要選取設(shè)計(jì)變量，列出目標(biāo)函數(shù)，給出約束條件。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)問(wèn)題所要求的最優(yōu)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式。
2.采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，求解數(shù)學(xué)模型，可歸納為在給定的條件(例如約束條件)下求目標(biāo)函數(shù)的極值或最優(yōu)問(wèn)題。
但是隨著現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，系統(tǒng)精確表征的能力就減小，在這些復(fù)雜事物的眾多因素中也包含著不確定性，除了可以用己經(jīng)成熟的概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究隨機(jī)事件現(xiàn)象以外，還有更為普遍的不確定性，即模糊性，對(duì)于這類問(wèn)題不可能用傳統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)來(lái)解決，必須有一門獨(dú)立的學(xué)科來(lái)描述和處理模糊性的客觀事物，這就誕生了“模糊數(shù)學(xué)”。該學(xué)科由美國(guó)控制論專家Caiiofmia大學(xué)的L.AZadeh教授(首先提出了“模糊集合論”)所創(chuàng)立。模糊技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用則是以英國(guó)工程師Mal五ndnai于1974年成功開(kāi)創(chuàng)了蒸汽機(jī)車的模糊控制而解開(kāi)應(yīng)用的新篇章。此后又有日本學(xué)者山川烈研究成功一種基于語(yǔ)言真值推理的模糊邏輯控制器，成功地用于汽車速度的自動(dòng)控制。僅1989年和1990年就申報(bào)了有關(guān)模糊技術(shù)的專利2000項(xiàng)。我國(guó)的模糊數(shù)學(xué)研究工作開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，首篇論文是張綿文，潘雪海的《弗齊集合論》，發(fā)表于1976年第9期《計(jì)算機(jī)與應(yīng)用數(shù)學(xué)》雜志上。1978年10月13日在《光明日?qǐng)?bào)》發(fā)表《介紹一門新的數(shù)學(xué)一一模糊數(shù)學(xué)》的文章。1980年n月汪浩等譯著的《模浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論糊集在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用》一書出版。1981年《模糊數(shù)學(xué)》雜志創(chuàng)刊。1982年成立了中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)模糊數(shù)學(xué)與模糊系統(tǒng)委員會(huì)，迄今為止，該委員會(huì)已召開(kāi)了九次年會(huì)。我國(guó)還先后三次舉辦國(guó)際會(huì)議。盡管如此，我國(guó)在模糊技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)上和國(guó)外相比還是有很大差距。進(jìn)入90年代后，國(guó)家教委，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委先后投入總額上億元的資金發(fā)展模糊技術(shù)的應(yīng)用研究。目前我國(guó)在模糊數(shù)學(xué)理論方面的差距正在縮小，隨著國(guó)家對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的越來(lái)越重視，相信我國(guó)在利用模糊方法解決工程優(yōu)化問(wèn)題方面的差距也會(huì)越來(lái)越小。
2.3曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細(xì)分析
2.3.1 曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能
如圖3.3.1所示，本文需要優(yōu)化的曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由以下四部分組成:
圖3.3.1 立式倒傘曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意
圖3.3.2 臥式倒傘曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意
圖3.3.3 倒傘曝氣機(jī)安裝
圖3.3.4 倒傘曝氣機(jī)安裝尺寸
2.4 曝氣原理分析
通過(guò)對(duì)倒傘型表曝機(jī)產(chǎn)生的水流特點(diǎn)及曝氣過(guò)程的分析 ,可依據(jù)離心泵、等角速度旋轉(zhuǎn)液體、攪拌混合系統(tǒng)、明渠流中的水躍等基礎(chǔ)理論對(duì)倒傘表曝機(jī)的曝氣機(jī)理及性能參數(shù)進(jìn)行定性分析。
1） 離心泵葉輪
倒傘型表曝機(jī)工作時(shí) ,其葉輪實(shí)際上與開(kāi)式軸向吸液的離心泵葉輪極為相似 ,倒傘葉片相當(dāng)于離心泵葉輪的葉片。根據(jù)離心泵的葉輪理論 ,在功率消耗、拋撒的水流密度為一定值的條件下 ,流量與水壓成反比關(guān)系。按離心泵的基本方程 (歐拉方程 ) ,對(duì)于軸向吸液的離心泵 ,液體進(jìn)入葉道前為靜止流體 (進(jìn)口速度為零 ) ,離心泵的理論揚(yáng)程 (壓頭 )H僅取決于葉片出口處的液流參數(shù) ,即只要確定了倒傘型表曝機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù) ,即可對(duì)其推動(dòng)的流量與壓頭進(jìn)行定性和定量分析。
2） 等角速度旋轉(zhuǎn)液體自由表面平衡
根據(jù)等角速度旋轉(zhuǎn)液體自由表面方程 ,真空壓[3]強(qiáng)的大小取決于旋轉(zhuǎn)角速度的大小 ,在轉(zhuǎn)軸中心處 (r=0)真空壓強(qiáng)最大。倒傘型表曝機(jī)攪動(dòng)溝內(nèi)水體也可近似看作是等角速度旋轉(zhuǎn)液體自由運(yùn)動(dòng) ,即在倒傘轉(zhuǎn)軸中心處產(chǎn)生的真空壓強(qiáng)最大。因此可在葉輪結(jié)構(gòu)上采取使葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的真空度等措施 ,提高表曝機(jī)的曝氣效果。
3） 攪拌混合系統(tǒng)葉輪
倒傘型表曝機(jī)工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)液體攪拌混合系統(tǒng) ,可看作是一個(gè)有 8葉片的透平式葉輪攪拌器根據(jù)液體攪拌混合系統(tǒng)理論可知 ,增加表曝機(jī)的葉輪直徑并降低其速度 ,可獲得較大的流量 (Q)和較[4]小的壓頭 (H) ,實(shí)現(xiàn)水體的充分混合 。此外倒傘型表曝機(jī)還可通過(guò)建立的關(guān)聯(lián)式 (功率曲線 ,涉及葉輪直徑、轉(zhuǎn)速、水體粘度和密度以及攪拌槽構(gòu)件參數(shù)等 ) ,對(duì)葉輪不同直徑、不同轉(zhuǎn)速時(shí)的功率進(jìn)行計(jì)算和校核 ,以獲得最佳的 Q /H值。
4） 明渠流中的水躍
倒傘型曝氣葉輪工作時(shí) ,由于葉輪的旋轉(zhuǎn)及攪動(dòng) ,水流從葉輪周邊流出時(shí)形成翻滾的水流 ,這種水力現(xiàn)象可近似看作明渠流中的水躍 ,其上部為飽摻[3]空氣的表面旋滾 ,下部為急劇擴(kuò)散的主流 。倒傘葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的水流躍起區(qū)域 ,按其特點(diǎn)的不同可分為空氣吸入點(diǎn) (水躍頭部 )、劇烈摻混區(qū)、乳化泡沫區(qū)和渦旋剪切區(qū)。在水躍頭部 ,由于射流、渦旋等作用形成了負(fù)壓區(qū),使大量的空氣被吸入水體然后在劇烈摻混區(qū)內(nèi) ,吸入的空氣在渦旋的剪切下形成均勻細(xì)密的氣泡,并與紊動(dòng)的水體充分混合最后 ,一部分 (較大粒徑 )氣泡在浮力的作用下升至自由表面的乳化泡沫區(qū) ,并進(jìn)入大氣;另一部分 (細(xì)小 )氣泡則在渦旋剪切區(qū)隨主流水體進(jìn)入曝氣池內(nèi) ,繼續(xù)進(jìn)行混合和擴(kuò)散。水躍頭部空氣的吸入量取決于從急流到緩流的流速差 (v1 - v2 ) ,流速差越大則空氣的吸入量越[5]大 。對(duì)倒傘葉輪來(lái)說(shuō) ,當(dāng)水體流入葉片間的流道后 ,在葉片的推動(dòng)下被迅速加速到 v1 ,加速后的水體在向外傳遞的過(guò)程中由于受到阻力的影響,開(kāi)始減速 (速度減至 v2 )并形成水躍。因此增大葉片的推力 ,使流速差 (v1 - v2 )加大 ,可提高空氣的吸入量。
設(shè)備整體采用立式結(jié)構(gòu)，安裝方便、占地面積小，不易被濺出的污水所腐蝕。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)械效率高，噪聲低，設(shè)計(jì)使用壽命超過(guò) 10 a，長(zhǎng)期運(yùn)行故障率?。恍阅軆?yōu)良，質(zhì)量可靠。倒傘型葉輪經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有攪拌能力大、推流能力強(qiáng)、充氧量高、處理效果好、不掛臟等優(yōu)點(diǎn)。倒傘的升降機(jī)構(gòu)為平板式結(jié)構(gòu)，升降動(dòng)程大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)便 ,倒傘傘體、倒傘主軸及減速機(jī)輸出軸之間可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。設(shè)備可根據(jù)用戶需要配置變頻調(diào)速裝置來(lái)調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速，以獲得工藝要求的充氧量，降低能耗。
2.5曝氣機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定
根據(jù)曝氣機(jī)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)曝氣機(jī)性能的評(píng)價(jià)主要參照技術(shù)一經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法然后結(jié)合實(shí)際的使用情況對(duì)性能指標(biāo)按照重要程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先是技術(shù)性指標(biāo)，主要有單位時(shí)間內(nèi)，一定功率下，一定面積和水深的水槽內(nèi)，曝氣機(jī)的清水充氧量，服務(wù)面積大小，最大插入水深，曝氣機(jī)全重。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)按照重要程度依次是制造成本，運(yùn)輸維修費(fèi)用等;此外還有一些環(huán)保指標(biāo)，例如噪音大小等等。如表3.5.1所示，是本文要研究的這一系列的曝氣機(jī)的主要性能指標(biāo)，這些數(shù)據(jù)由廠家根據(jù)試驗(yàn)情況測(cè)得。
表3.5.1曝氣機(jī)主要性能指標(biāo)
其中清水的充氧量和服務(wù)面積都是非常重要的指標(biāo)，也是曝氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。清水的充氧量是在一定功率下曝氣機(jī)一小時(shí)的充氧量，依據(jù)儀器測(cè)得。服務(wù)面積是指以曝氣機(jī)軸心為中心，以氣水混合流到達(dá)的最遠(yuǎn)位置處為半徑，該半徑范圍內(nèi)的圓面積。因此這兩個(gè)指標(biāo)是本文所研究的最重要的兩個(gè)指標(biāo)，可以浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文曝氣機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定這么說(shuō):一個(gè)一定功率的曝氣機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)充氧量越多，服務(wù)面積越大其性能就越優(yōu)越。當(dāng)然還要考慮其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，由于曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)其傳動(dòng)軸是在污水中工作，軸承安裝處雖然有密封圈防止污水泄漏，但從運(yùn)行的情況來(lái)看保持100%的密封是不可能的，軸承的損壞還與軸系的設(shè)計(jì)有關(guān)。軸承的更換周期就是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。另外一個(gè)比較重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)就是制造成本和運(yùn)輸費(fèi)用。其中制造成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，運(yùn)輸費(fèi)用和整體重量有關(guān)。因此可以說(shuō)一個(gè)曝氣機(jī)其軸承更換周期越長(zhǎng)，加工成本越低，重量越輕其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)就越好。
對(duì)于優(yōu)化后的曝氣機(jī)性能指標(biāo)也需要給定一個(gè)量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以直觀的將優(yōu)化前后的曝氣機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比，為此介紹一下評(píng)分法。之前需要注意以下幾點(diǎn):
1.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(評(píng)價(jià)尺度)要能度量評(píng)價(jià)對(duì)象與給定要求的符合程度;
2.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(評(píng)價(jià)尺度)應(yīng)概括較大的范圍，能對(duì)所有方案做出評(píng)價(jià):
3評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(評(píng)價(jià)尺度)應(yīng)準(zhǔn)確、明了、不致引起誤解。
評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示方法，一種是5分制，另一種是or分制，在特征尚不清楚的時(shí)候，可以采用5分制;在評(píng)價(jià)對(duì)象較為具體，特征較為明顯的時(shí)候，可以采用10分制，采用10分制的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分顯得更為細(xì)致。本文的評(píng)價(jià)對(duì)象是方案，也就是說(shuō)評(píng)價(jià)是在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的，具體化程度比較低，所以采用5分制的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。5分制和10分制兩種評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容如表3.5.2所示。
表3.5.2評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
評(píng)分法是根據(jù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)用分值作為衡量方案優(yōu)劣的尺度，對(duì)方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。如有多個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)時(shí)，則先分別對(duì)各目標(biāo)評(píng)分，再經(jīng)處理求得方案的總分。其中總分的計(jì)算方法可以有多種，包括分值相加法、分值連乘法、均值法、相對(duì)值法或有效值法(加權(quán)積分法)。其中綜合考慮評(píng)價(jià)目標(biāo)分值及加權(quán)系數(shù)的有效值作為方案的評(píng)價(jià)依據(jù)較合理，應(yīng)用的也最為廣泛。各種記分方法和特點(diǎn)見(jiàn)表3.5.3所示。
表3.5.3 總分計(jì)算方法和特點(diǎn)
表中:Q----方案總分值;N----有效值;n----評(píng)價(jià)目標(biāo)數(shù);Pi----各評(píng)價(jià)目標(biāo)平分值;g1----各評(píng)價(jià)目標(biāo)的加權(quán)系數(shù);QO----理想方案總分值。
本文采用加權(quán)記分法計(jì)算優(yōu)化前后的曝氣機(jī)性能評(píng)分，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性和有效性。
加權(quán)系數(shù)是確定目標(biāo)的重要性系數(shù)，主要在定量評(píng)價(jià)時(shí)用以考慮各評(píng)價(jià)目標(biāo)重要程度。加權(quán)系數(shù)是反映評(píng)價(jià)目標(biāo)重要程度的量化系數(shù)，加權(quán)系數(shù)大，意味著重要程度高。為了便于分析計(jì)算，一般取各評(píng)價(jià)目標(biāo)加權(quán)系數(shù)g12.10
葉輪浸沒(méi)深度
mm
參見(jiàn)附錄A
表3.1 倒傘型表面曝氣機(jī)基本參數(shù)
圖3.1 葉輪的參數(shù)化模型
圖3.2 葉片的二維圖
圖3.3 倒傘曝氣機(jī)總成二維平面圖
3.3 曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
曝氣機(jī)具有充氧、推流和攪拌性能,反映這些性能的主要指標(biāo)是充氧動(dòng)力效率和底部流速。其中最主要性能指標(biāo)是充氧動(dòng)力效率
其中，
其中, OR 是在室溫和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氧氣傳輸速率(mg/L /h) ,是試驗(yàn)時(shí)的氧氣飽和濃度,這里假設(shè)為常數(shù)。為標(biāo)準(zhǔn)條件下的氧氣傳輸體積系數(shù)，表達(dá)式為：
P為攪拌功率( kW) ; P /V為單位體積的功率
其中, Q為流量,為出口射流速度，為射流厚度。
速度與葉片的流線、厚度關(guān)系密切,而且葉片的流線也是影響攪拌功率的一個(gè)主要因素。因此為了更好的研究葉片的流線和外形,從葉片的應(yīng)力應(yīng)變研究入手。對(duì)葉片的形狀和厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
因此,對(duì)于攪拌葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)曝氣機(jī)性能的優(yōu)化。
本文采用的葉片優(yōu)化方法:運(yùn)用有限元分析軟件找出葉片的應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū),以有目的性的去實(shí)施補(bǔ)救措施, 對(duì)于受力變形大的區(qū)域,可以加厚葉片或采用加強(qiáng)筋板;對(duì)于應(yīng)力比較的小的區(qū)域可以采取相對(duì)較薄的設(shè)計(jì), 減輕整機(jī)的質(zhì)量,降低制造成本,并提高工作效率。
3.4 倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析
設(shè)單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移函數(shù)為u ( x, y, z) , v ( x, y, z) , w( x, y, z)或
利用節(jié)點(diǎn)處的邊界條件,以a表示的節(jié)點(diǎn)位移并寫成：
這里,為相應(yīng)矩陣,代入d = Sa得用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體內(nèi)任意點(diǎn)位移的插值函數(shù)式:
根據(jù)位移插值函數(shù), 由彈性力學(xué)給出的應(yīng)變和位移關(guān)系, 可計(jì)算出應(yīng)變?yōu)?
式中, B 表示應(yīng)變矩陣。相應(yīng)的變分為
由彈性力學(xué)物理關(guān)系,得應(yīng)力與應(yīng)變的物理關(guān)系式為
式中, D是彈性矩陣。
根據(jù)虛位移原理:可得單元節(jié)點(diǎn)力與位移之間的關(guān)系式:
式中, Ke 是單元特性,即剛度矩陣,并可寫成
把各單元按節(jié)點(diǎn)組集成與原結(jié)構(gòu)相似的整體結(jié)構(gòu),得整體的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式,即整體結(jié)構(gòu)的平衡方程
式中, K表示整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣, f表示整體荷載列陣, q表示整體結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)的位移列陣,對(duì)于結(jié)構(gòu)靜力分析載荷列陣f可包括:
式中,(體積力轉(zhuǎn)移) , (表面力轉(zhuǎn)移) ,
可采用不同的計(jì)算方法解有限元方程, 得出節(jié)點(diǎn)的位移。需要注意的是,在求解之前必須對(duì)結(jié)構(gòu)平衡方程組進(jìn)行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點(diǎn)位移q。
在計(jì)算出各單元的節(jié)點(diǎn)位移后, 利用式( 6)和( 8)即可求解出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。
本文選用ANSYS作為分析平臺(tái)對(duì)葉片工作過(guò)程進(jìn)行有限元分析。其在ANSYS的葉片命令流如下：
!/filname,Blade,1 !定義分析文件名
/TITLE,Static Analysis for a Blade !定義標(biāo)題
FINISH
!導(dǎo)入葉片IGES格式的幾何模型
!=============================================開(kāi)始有限元模型的建立
/PREP7 !進(jìn)入前處理器
ET,1,SOLID92 !定義單元類型為solid92單元
MP,EX,1,2.06E5, !定義材料彈性模量
MP,PRXY,1,0.3, !定義材料泊松比
MP,DENS,1,7.8e-6 !定義材料密度
ESIZE,40,0, !設(shè)置單元尺寸大小
TYPE,1 !選定劃分網(wǎng)格的單元類型
MAT,1 !選定劃分網(wǎng)格的材料類型
vsel,all !選擇所有實(shí)體
VMESH,all !劃分所有實(shí)體,生成網(wǎng)格
FINISH
!=============================================完成有限元模型的建立
!=============================================有限元模型的邊界條件的施加和分析求解
/SOL !進(jìn)入求解器
ANTYPE,0 !設(shè)置分析類型為靜力分析
CSKP,11,0,120,123,163,1,1,
NSEL,S,LOC,X,
D,ALL, , , , , ,ALL, , , , ,
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, , , , , !選擇要約束的節(jié)點(diǎn),并約束所有位移
ALLSEL,ALL
SFA,39,1,PRES,0.05
SFA,30,1,PRES,0.05 !在幾何面上施加分布?jí)毫?
ALLSEL,ALL
SOLVE !求解計(jì)算
FINISH !完成
save !保存所有文件
!==============================================完成靜力分析的求解計(jì)算
!==============================================結(jié)果查看
/POST1 !進(jìn)入后處理器
!PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 !顯示變形分布云圖
PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !顯示等效應(yīng)力分布云圖
3.5 葉片材料的選擇
葉片材料Q235A鋼材, 密度7. 85 ×103 kg/m3 , 標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 700-1988
化學(xué)成份：
碳 C ：0.14～0.22 硅 Si：≤0.30 錳 Mn：0.30～0.65 硫 S ：≤0.050 磷 P ：≤0.045 鉻 Cr：允許殘余含量≤0.030 鎳 Ni：允許殘余含量≤0.030 銅 Cu：允許殘余含量≤0.030
力學(xué)性能
抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)：375～460
屈服強(qiáng)度 σs (MPa)：≤16時(shí):≥235; >16～40時(shí):≥225; >40～60時(shí): ≥215; >60～100 時(shí): ≥205; > 100～150 時(shí): ≥195; >150時(shí): ≥185
伸長(zhǎng)率 δ5 (%)：≤16時(shí):≥26;>16～40時(shí):≥25;>40～60時(shí):≥24;>60～100時(shí):≥23;>100～150時(shí):≥22;>150時(shí):≥21
3.6 葉片的網(wǎng)格模型
Unigraphics NX提供了與ANSYS DesignSpace雙向參數(shù)互動(dòng)的嵌入式接口，有助于工程意識(shí)強(qiáng)烈、CAE背景薄弱，且熟悉CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員使用，使設(shè)計(jì)人員很方便地進(jìn)行自適應(yīng)映射網(wǎng)格劃分、工況加載、單位制自動(dòng)換算、分析求解、計(jì)算報(bào)告生成等工作。在完成覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，由于產(chǎn)品包含多個(gè)自由曲面特征，如采用傳統(tǒng)的IGES格式傳遞數(shù)據(jù)，在ANSYS環(huán)境下還需要進(jìn)行大量的修補(bǔ)工作。利用UG NX的曲面縫合（Sew Surface）功能，可以快速方便地得到完整的可供CAE分析使用的連續(xù)曲面，如圖3(d)所示為縫合輸出后，在DesignSpace環(huán)境下劃分的網(wǎng)格模型和重力作用下的變形分析。其有限元網(wǎng)格模型包含44352個(gè)單元（Element）和45668個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node）。對(duì)于SMC復(fù)合材料覆蓋件的分析，由于DesignSpace目前不支持復(fù)合材料，因此需要和ANSYS交換數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其分析結(jié)果的提取。
圖4.5 有限元模型
圖3.6 施加約束的有限元模型
3.5.1載荷處理和邊界條件的確定
根據(jù)已知受力情況和大小對(duì)葉片施加邊界條件個(gè)載荷，圖中箭頭代表矢量力
圖3.7 邊界條件圖
3.5.2葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析
有限元的計(jì)算，就是將形狀復(fù)雜以及受力情況復(fù)雜的零件化分為有限數(shù)目的單元，再分別計(jì)算這些單元的受力和變形情況，然后將這些單元整合起來(lái)，就形成了整個(gè)零件的受力變形圖。
3.5.2.1 葉片應(yīng)力和變形分析
圖3.8 總位移云圖
圖3.9 X方向變型圖
圖3.10 Y方向變型云圖
圖3.11 Z方向變型云圖
圖3.12 等效應(yīng)力云圖
3.5.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析
1）變形分析
圖5.8顯示了載荷作用下葉片的變形云圖。從圖5.8可以看出,載荷作用下葉片的最大位移達(dá)到5.726mm左右。葉片變形較大的地方主要為葉片的尖端部位,此處手較大扭矩。因此,在葉片的設(shè)計(jì)制造中采取一些措施防止葉片過(guò)度變形至關(guān)重要。
2） 應(yīng)力分析
載荷作用下氣瓶的應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖5.12所示。從圖5.12可以看出，葉片總體應(yīng)力分部比較均勻。葉片應(yīng)力分布圖顯示,最大應(yīng)力發(fā)生在葉片下部的圓弧部位和葉片的折彎板根部,應(yīng)力分布見(jiàn)圖5.12, 最大應(yīng)力213.09 MPa。葉片尖端和幅板的應(yīng)力值均較低。
通過(guò)對(duì)曝氣機(jī)葉片的有限元分析,獲得了葉片的應(yīng)力和變形值,從應(yīng)力云圖上可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在葉片下部的圓弧部位和葉片的折彎板根部。葉片的強(qiáng)度滿足要求。從分析的結(jié)果看,利用ANSYS進(jìn)行有限元分析能得到滿意的解,在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后,可獲得大量的數(shù)據(jù)和圖片,為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
4 總結(jié)
隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，環(huán)保設(shè)備，特別是污水處理設(shè)備將具有越來(lái)越好的市場(chǎng)前景，企業(yè)要提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力以獲取較大的市場(chǎng)份額，需要在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上做進(jìn)一步優(yōu)化，以提升產(chǎn)品的性能，降低成本。本文針對(duì)曝氣機(jī)這一具體產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作狀態(tài)模擬分析，為企業(yè)的產(chǎn)品革新做了卓有成效的工作。本文的工作對(duì)其它中小企業(yè)的產(chǎn)品革新工作也具有很好的借鑒意義,其特色和創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
首先，本文運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的方法學(xué)思想，提出利用CAE技術(shù)和傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相結(jié)合，并首次將之應(yīng)用于曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作狀態(tài)模擬中來(lái)，實(shí)踐證明這一方法非常適合中小企業(yè)的產(chǎn)品革新。
其次，本文利用CAE技術(shù)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化具體又包含對(duì)基于CAE技術(shù)的計(jì)算模型的優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的計(jì)算模型用于曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工作狀態(tài)模擬。
本文所做的工作使得企業(yè)的產(chǎn)品優(yōu)化或者革新周期大大縮短，節(jié)約了大量試驗(yàn)成本，提高了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。并且己使企業(yè)擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了積極的推動(dòng)作用。
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致 謝
本設(shè)計(jì)的完成是在導(dǎo)師邢普老師的細(xì)心指導(dǎo)下進(jìn)行的。在每次設(shè)計(jì)遇到問(wèn)題時(shí)老師不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行。從設(shè)計(jì)的選題到資料的搜集直至最后設(shè)計(jì)的修改的整個(gè)
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