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）任務(wù)書 I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 1.利用ANSYS軟件對(duì)倒傘形曝氣機(jī)進(jìn)行有限元分析； 2.利用有限元分析的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)； III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間： 1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開題報(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 Ⅳ 、主 要參考資料： 【1】楊明忠,朱家誠(chéng)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].武漢,武漢理工大學(xué)出版社,2001.10 【2】邵立新,夏素民,孫江宏等主編.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版[M].清華大學(xué)出版社,2007.6 【3】天津大學(xué)工業(yè)機(jī)械手編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,1980年 【4】3000億污水處理投資 新浪網(wǎng) 【5】邢普等非等角對(duì)數(shù)螺旋線攪拌葉片的實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào) 2008.2 【6】倒傘型表面曝氣機(jī)JB/T 10670-2006 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 【7】錢易 清潔生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展 節(jié)能與環(huán)保 2002年 第07期 【8】Kasco. Marine Aerators Wastewater Treatment Aeration Systems Aeration Equipment， Circulators, 2007.3 Water Circulators, 2007.3 航空與機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)類 班 學(xué)生（簽名）： 填寫日期： 2011 年 01 月 03 日 指導(dǎo)教師（簽名）： 助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系主任（簽名）： 附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯 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 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(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 倒傘型曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：周夢(mèng)遠(yuǎn) 班級(jí)：078105135 指導(dǎo)老師：刑普 摘要：研究污水處理設(shè)備強(qiáng)度優(yōu)化問題,倒傘型曝氣機(jī)是污水生物處理技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備,具有充氧、攪拌和推流等作用。攪拌葉輪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)其最主要的性能指標(biāo)充氧動(dòng)力效率至為關(guān)鍵。在研究曝氣機(jī)充氧機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)曝氣機(jī)的葉片進(jìn)行了實(shí)體建模、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先利用ANSYS平臺(tái)對(duì)葉片工作過程進(jìn)行了研究,通過實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分和有限元分析等過程,對(duì)曝氣機(jī)攪拌葉片在工作狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了有限元仿真分析。仿真結(jié)果明確了葉片的薄弱環(huán)節(jié),并為進(jìn)行優(yōu)化和改良結(jié)構(gòu),為產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了研究依據(jù)。 關(guān)鍵詞:倒傘曝氣機(jī);有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師簽名： Fin ite Element Ana lysis and Optima l Designfor Inverted Umbrella Aera tor Student name：zhou meng yuan Class：078105135 Supervisor：xing pu Abstract：The inverted umbrella aerator is the key equipment of biological wastewater treatment technology,which has the effects of oxygenation, mixing and p lug - flow. The design and op timization of the mixing impeller ismost important to the efficiency of oxygenation. In this paper, the solidmodeling and finite element analysis and op ti2mal design of aerator blades were made based on the study of the oxygenation mechanism. Firstly, the working process of the bladeswas studied through solid modeling, mesh generation and finite element analysis process, and the stress - strain finite element analysiswas offered based on ANSYS, which identified the weak links in the leaves.And more, the op timized and imp roved designs for the p roduction were made, which set the foundation for the manu2facture of the blades. Keywords: Inverted umbrella aerator; Finite element analysis; Op timal design Signature of Supervisor: 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(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 明 開題報(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法解決的復(fù)雜問題。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個(gè)工 程實(shí)際問題，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(shí) 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(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(jì)后，以有限元分析軟件為平臺(tái)，通過建立產(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(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)科的問題。例如當(dāng)氣流流過一個(gè)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(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"的問題。 2 由求解線性工程問題進(jìn)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(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。為此近年來國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專長(zhǎng)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(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。 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)間越來越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)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(gè)包含10萬個(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，工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問題時(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(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）上開發(fā)和運(yùn)行的，后來又發(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(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開始在Windows平臺(tái)上開發(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分析計(jì)算工程問題的高潮。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)間許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開始認(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)?？梢哉f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程序開發(fā)者來說發(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(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)科的問題。由于國(guó)內(nèi)沒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)來支持。 2 開發(fā)具有中國(guó)特色的自動(dòng)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(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(jì)算機(jī)公司都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，近年來國(guó)外有的FEA程序已拋開仿真軟件，直接在Windows平臺(tái)上開發(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)上成功地開發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀地通過對(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，當(dāng)今有限元方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是和CAD軟件的無縫集成。作為我國(guó)自行開發(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) 1 王昆 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2006 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 4 邢普等 非等角對(duì)數(shù)螺旋線攪拌葉片的實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào) 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(guó)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社1989年2月 8 劉惟信，孟嗣宗，機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)械工程模糊優(yōu)化方法，機(jī)械工業(yè)出版社，2001年7月第一版 10 樊會(huì)元，席光，王尚錦，遺傳算法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，機(jī)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(jì)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(guó)機(jī)械優(yōu)化應(yīng)用研究的綜述和展望，機(jī)械強(qiáng)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(jì)的浮動(dòng)應(yīng)力指數(shù)法.固體力學(xué)學(xué)報(bào).1984年5卷第2期；255-261 14 王光遠(yuǎn)，周正源，霍達(dá).結(jié)柯設(shè)計(jì)的兩相優(yōu)化法.力學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用，1991年8 卷第2期；178-185 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、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)。一般來說，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求解工程問題，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)典問題，但遠(yuǎn)離大多數(shù)實(shí)際工程問題，經(jīng)典法的主要優(yōu)點(diǎn)是通過一類問題的解來得到對(duì)此類問題的深刻認(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，它通過采用多種規(guī)則形狀的單元米處理實(shí)際上無限制的任何問題。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)角度來看，有限元法基本思想的提出，可以從1943年Courant的開創(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，來求解扭轉(zhuǎn)問題。從應(yīng)用角度來看，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)力問題的正確解答。他們的研究工作打開了利用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。1960年Clough迸一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱，使人們開始認(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，理論上，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。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)平面問題擴(kuò)展劍空間問題、板殼問題。由靜力平衡問題擴(kuò)展劍穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。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)唷⒎纸獬筛鱾€(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)方法來說非常凼雉)，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題、非線性問題，如塑性、屈曲、蠕變、熱塑性、過屈曲、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)過程中展有普遍意義的非穩(wěn)態(tài)問題也能求解，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)約人工與材料無不起到不可估鼙的作用，由此產(chǎn)生或帶來了巨大的社會(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)、非線性問題中載荷增量的自適應(yīng)選取及瞬態(tài)問題中時(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。 5、基于知識(shí)的有限元法?；谥R(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)于一體的基丁．知識(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)使周圍的水通過出水口流到周圍水域中，周圍水域的水又通過進(jìn)水導(dǎo)向漏斗和入水口流到葉輪周圍，在這個(gè)過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)于這類問題不可能用傳統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)來解決，必須有一門獨(dú)立的學(xué)科來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年成功開創(chuàng)了蒸汽機(jī)車的模糊控制而解開應(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)域的越來越重視，相信我國(guó)在利用模糊方法解決工程優(yōu)化問題方面的差距也會(huì)越來越小。 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 通過對(duì)倒傘型表曝機(jī)產(chǎn)生的水流特點(diǎn)及曝氣過程的分析 ,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)倒傘葉輪來說 ,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程中由于受到阻力的影響,開始減速 (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 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: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 葉輪浸沒深度 mm 參見附錄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，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，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。 參考文獻(xiàn) 1 王昆 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2006 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 4 邢普等 非等角對(duì)數(shù)螺旋線攪拌葉片的實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào) 2008.2 5 D. 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