0348-倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計
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畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目 倒傘型曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計
專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化
班級學號 078105135
學生姓名 周夢遠
指導教師 邢普
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
說 明
開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內容。以下填寫內容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當修改。但每個專業(yè)填寫的內容應保持一致
一、課題依據(jù)及課題的意義
隨著科學技術的發(fā)展，機械產(chǎn)品與設備也日益向高速、高效、精密、輕量化和
自動化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結構也日趨復雜，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計階段就能精確地預測出產(chǎn)品和工程的技術性能，因而需要對
結構的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術參數(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
葉片內的流體動力學參數(shù)，以提高其運轉效率。以上所有的這些都可歸結為求解物
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、尋求最佳結構設計方案的主要手段。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測結構的偏移與其他應力
影響的過程，由于有限元法的一個獨特的優(yōu)點是可以求解結構形狀和邊界條件都任
意變化的力學問題。有限元的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離
散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結構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果來替代對實際結構的分析，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雜問題。隨著計算機技術的普及和
計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，
已經(jīng)成為解決復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、科學研究等
各個領域的廣泛使用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍，幫助用戶解決了成千上萬個工
程實際問題，同時也為科學技術的發(fā)展和工程應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)，是集結構、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)品設計中的高級CAD 工具之一。
當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，如果分析的結果不滿足設計要求則重新在CAD
軟件中進行設計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設計水平以及效掣4J。
為了滿足工程師快捷地解決復雜工程問題的要求，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，如ADINA軟件由于采用了
基于Parasolid內核的實體建模技術。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
結構設計后，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
關的分析計算，并根據(jù)分析結果對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。因此在設計階段較精確的預
測出產(chǎn)品的各項工程技術性能指標，如果分析的結果不符合設計要求，則重新進行
設計和分析計算，直到滿意為止。從而提高設計水平和效率，降低產(chǎn)品的成本。
就CAE技術的工業(yè)化應用而言，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等技術的結合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復
雜性、可靠性、經(jīng)濟性等做出迅速反應，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研究的一種手段，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)普遍應用。
二、國內外研究概況及發(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，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應用的普及，工程技術人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設計，提高工程和產(chǎn)品質量，計算機輔助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關鍵的技術要素。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應用使設計水平發(fā)生了質的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
增加設計功能，減少設計成本；
縮短設計和分析的循環(huán)周期；
增加產(chǎn)品和工程的可靠性；
采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗或成本；
在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(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技術的今天，從自行車到航天飛機，所有的設計制造都離不開有限元分析計算，F(xiàn)EA在工程設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和大學也發(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 從單純的結構力學計算發(fā)展到求解許多物理場問題
有限元分析方法最早是從結構化矩陣分析發(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、溫度場、電傳導、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科的問題。例如當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和流體動力學的有限元分析結果交叉迭代求解，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
隨著科學技術的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結構的大位移和大應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力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復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)值計算是很復雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技巧，很難為一般工程技術人員所掌握。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果則需用幾周的時間?？梢院敛豢鋸埖卣f，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"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計后，自動生成有限元網(wǎng)格并進行計算，如果分析的結果不符合設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付的復雜工程分析問題。所以當今所有的商業(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)使計算機的應用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復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)，內存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制，因此當時計算模型的規(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。因此當前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機構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。
國內發(fā)展情況和前景
1979年美國的SAP5線性結構靜、動力分析程序向國內引進移植成功，掀起了應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非線性結構分析程序引進，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用計算機進行分析計算的重要工具。但是當時限于國內大中型計算機很少，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?？梢哉f國內FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺做文章。在國內開發(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)有大連理工大學工程力學系的FIFEX95、北京大學力學與科學工程系的SAP84、中國農(nóng)機科學研究院的MAS5.0和杭州自動化技術研究院的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平臺不屑一顧轉變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對國內FEA程序開發(fā)者來說發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢，而應該從下面幾方面加以努力：
1 研究開發(fā)求解非固體力學和交叉學科的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、可壓縮和不可壓縮流體的流動等非固體力學和交叉學科的問題。由于國內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、用于分析流體等非固體力學和交叉學科的軟件。因為流體力學問題遠比固體復雜得多，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和GUI
開發(fā)建模技術和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。國內不少人在這方面做了很多工作，但是由于當時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機上應用可視化圖形技術開發(fā)GUI提供了強有力的工具。OpenGL是當今國際上公認的高性能圖形和交互式視景處理標準，應用它開發(fā)出來的三維圖形軟件深受專業(yè)技術人員的鐘愛，目前世界上占主導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。杭州自動化技術研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標準和相應的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，也便于用戶學習和掌握。
3 與具有我國自主版權的CAD軟件集成
前面已經(jīng)講過，當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的CAD軟件集成。因為有限元分析主要用于形狀比較復雜的零部件，所以要和具有三維造型功能和CAD軟件集成，使設計和分析緊密結合、融為一體。目前國內二維設計的繪圖軟件較多，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用，列為國家"863"高技術CIMS主題主推產(chǎn)品，并獲得全國第二屆自主版權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，引用其結果對葉片進行優(yōu)化設計。（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格式導入ANSYS進行有限元分析。（4）對其結果優(yōu)化設計。
主要內容：
1、 有限元軟件ANSYS的概念
2、 ANSYS軟件主要特點
3、 曝氣機的結構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 機械設計課程設計 北京 高等教育出版社 2006
2 濮良貴 機械設計 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 工程設計學報 2008.2
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14 王光遠，周正源，霍達.結柯設計的兩相優(yōu)化法.力學學報，1983年15卷第4期；376-386
15 李康元，結構優(yōu)化中處理約束的統(tǒng)一公式.計算結構力學及其應用，1991年8 卷第2期；178-185
1緒論
1．1前言
CAE(Computer Aided Engineering)技術，即計算機輔助工程稃技術，是一個涉及面廣、集多種學科與工程技術于一體的綜合性，知識密集犁技術。相應的CAE軟件則是包含了數(shù)值計算技術、數(shù)據(jù)庫、計算機圖形學、工程分析與仿真在內的綜合型軟件系統(tǒng)。
CAE技術的發(fā)展動力是CAD＼CAM技術水平和應用水平的提高，CAE技術的發(fā)展條件是計算機及圖形顯示設備的推出，CAE軟件的理論基礎是有限元、邊界元法等現(xiàn)代計算力學方法，其核心內容是計算機模擬利仿真。本文的理論依據(jù)來自有限元法。
1．2有限元方法簡述
結構分析的目的是為了弄清楚結構系統(tǒng)在承受一定載荷下的物理響應，以指導結構設計。一般來說，結構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。閉合硝精確解僅對幾何形狀、載荷與邊界條件最簡單的情況才可得到。近似解法是對控制微分方程求得近似解，采用適當截斷誤差的級數(shù)展開式表達。它同樣要求有規(guī)則的兒何形狀、簡單邊界條什以及簡單載荷。經(jīng)典法雖可求得某些經(jīng)典問題，但遠離大多數(shù)實際工程問題，經(jīng)典法的主要優(yōu)點是通過一類問題的解來得到對此類問題的深刻認識。
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、四十年隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的戍用于各種結構分析的數(shù)值計算方法。它運用離散概念，把彈性連續(xù)體劃分為一個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用最為成功、最為廣泛的一種數(shù)值計算法。
1．2．1有限元法的發(fā)展歷史
從數(shù)學角度來看，有限元法基本思想的提出，可以從1943年Courant的開創(chuàng)性工作為標志。他第一次嘗試應用在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和晟小位能原理相結合，來求解扭轉問題。從應用角度來看，有限元法的第一個成功嘗試，是將鋼架位移法推廣應用于彈性力學平面問題，這是Turner、Clough等人在1956年分析飛機結構時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應力問題的正確解答。他們的研究工作打開了利用電子計算機求解復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，使人們開始認識有限單元法的功效。
1960年以后，隨電子計算機的廣泛應用和I發(fā)展。有限元法的發(fā)展速度才顯著加快。半個世紀以來，理論上，確認了有限元法是處理連續(xù)介質問題的一種普遍方法。實踐上，有限元法已經(jīng)應用于許多學科，已由彈性力學平面問題擴展劍空間問題、板殼問題。由靜力平衡問題擴展劍穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從嗣體力學擴展到液體力學、傳熱學等連續(xù)介質力學領域。在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優(yōu)化設計并和計算機輔助設計技術相結合．
1．2．2有限元法在工程結構分析中的應用
傳統(tǒng)的結構分析往往局限于簡化條件下．用解析法求解問題，即將產(chǎn)品結構簡化為許多便于計算的“平面結構”或進行截斷、分解成各個單一的零部件。如。軒系、柱，板、殼、塊體”等．運用材料力學、彈塑性力學等相應理論進行分析，從中得出一些計算公式，再按公式計算各處參量。由于作了過多地簡化，計算模犁構造得非常簡單，計算結果往往粗略，與實際情況相著較大。而有限元方法卻能對檔體結構建立精確模型進行分析，如飛機、船舶、橋梁、大壩、壓力容器，海洋平臺等。它的主要優(yōu)點是能較準確描述鈹分析物的結構的實際形狀、約束條件和受力特征。在正確建模的基礎上，不僅可以得到較準確的計算結果而且還可對整個結構的麻力、應變和位移分布、模態(tài)等進行可視化觀察。
由有限元分析所得到的計算結果可作為結構優(yōu)化的基礎。采用有限元分析可以取代以往的以試驗方法所進行的力學分析，與試驗驗證相比，有限元應力分析更容易和更準確地得到諸如應力分布、應力水平、屈服區(qū)域等；同時有限元方法可以計算出構件內部的應力(這對試驗方法來說非常凼雉)，人們可以按照某一點、某一條線或某一個平面進行強度評定，使得結構的設計和改進具有針對性，達劍既安全又經(jīng)濟的目的。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、剛柔體耦臺等。而且對于各神不同性質的材料，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，甚至還可以模擬構件之間的高速碰撞、炸藥的爆炸、燃燒和應力波的傳播。有限元法也有不足之處，例如對一特殊問題只能求得一個具體的數(shù)值結果，不能得到不同的參數(shù)變化時系統(tǒng)的反饋；而且構造一個對真實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)驗和對實際問題的準確判斷。這不僅僅是有限元法才有的缺點，而且也不影響有限元法在工程技術領域的廣泛應用。
到目前為止，人們己非常成功地朋有限元法實現(xiàn)了各式各樣工程問題的計算。在機械工稃中，已經(jīng)計算分析了機床、齒輪、汽車變速器、內燃機曲軸、水輪機葉片、汽車車架等。所有這些應用都大大地為設計人員提高產(chǎn)品質量。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效益和經(jīng)濟效益。與此同時應運而生的有限元分析軟什多達幾百種，其中國內外著名的有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，計算精度高．其計算結果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設計和性能分析的可靠依據(jù)。
1．2．3有限元法的新發(fā)展
計算機硬件的發(fā)展是有限元法賴以發(fā)展的基礎，其它領域的一些新思想、新方法已開始引入有限元法。計算技術的最新發(fā)展特別是圖形和圖像處理能力、并行計算能力從根本上改變了有限元法在各個領域中應用的深度和廣度。
l、隨機有限元法。隨機有限元法是將概率論、隨機過程和數(shù)理統(tǒng)計引入有限元 法，使其數(shù)一學模型更接近實際，因為它考慮了材料、尺寸、形狀、邊界條件、載荷、工作環(huán)境等參數(shù)所具有的隨機性、分散性和I時間性。隨機有限元主要應用于計算機輔助可靠性設計分析、隨機過程和可靠性分析應用最廣泛的疲勞壽命預估和裂紋擴展問題。
2、模糊有限元法。由于有限元建立的結構模型其輸入信息(如材料性質、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)學引入有限元法。模糊有限元法尤其適用于優(yōu)化設計分析。
3、自適應有限元法。自適應有限元法是一種根據(jù)中間計算結果自動調整算法以改進求解過程的數(shù)值方法。主要有誤著估計、白適戍網(wǎng)格改進、非線性問題中載荷增量的自適應選取及瞬態(tài)問題中時間步長的自適麻調幫。
4、網(wǎng)格自動生成專家系統(tǒng)。由于給定問題的計算效率和計算結粟的精確度在相當揮度上取決于計算模型是否合理，包括單元類刑的選用、節(jié)點的布局、網(wǎng)格線的生成、載荷的簡化以及邊界條件的模擬等。岡此，有限元計算的單元節(jié)點配置和劃分需要相對多的經(jīng)驗和正確的判斷，網(wǎng)絡自動生成專家系統(tǒng)就岡此而發(fā)展起來。
5、基于知識的有限元法?；谥R的有限元法就是基于人]：智能知識的專家系統(tǒng)有限元法。該系統(tǒng)輸入專家的經(jīng)驗年¨專K的知識、訣竅，建立了以有限元方法為基礎的結構分析輔助系統(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)值求解和對數(shù)值結果的解釋、評價于一體的基?。R的新型分析系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可幫助結構分析人員初選模型．自動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。因大型并行計算機和可以作并行處理的微機網(wǎng)絡的出現(xiàn)，導 致了有限元的分析方法和求解策略的相應變化。為了適應并行處理的多指令，多數(shù)據(jù)結構，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步驟：生成單元矩陣；組裝總體方程；求解方程組；給出節(jié)點位移、速度和加速度；單元的應變、應力及其它響應。運用并行有限元計算可成倍提高有限元法在傳統(tǒng)串行計算機上的運行速度，故它是高效能的，使得許多串行計算機和串行算法不能求解或求解不好的大型和巨型復雜工程問題能得到滿意解答。
1．3倒傘型曝氣機的有限元分析現(xiàn)狀
雖然在工作中曝氣機破壞的可能性比較小，但是它的剛性對曝氣機運轉的平穩(wěn)性起著決定作用，而且影響葉片工作狀況。文獻9用有限元法建立了Q235A材料的葉片靜力學模型，用I—D E A S軟件對葉片結構進行了分析，指出了葉片薄弱的原因．改造了葉片結構，其強度有了顯著的提高，制造成本有較大的降低，并驗證了原有Q235A鋼材的性能。文獻10應用幾何造型設計條件系統(tǒng)(MDT)建立了MX—l型曝氣機的實體模型，通過計算得出葉片的受力情況，在有限元分析條件ANSYS系統(tǒng)中進行了有限元分析，實踐證明，使朋MDT／ANSYS集成對葉片建模和受力分析對指導現(xiàn)場作業(yè)有重要意義。文獻11著重介紹了曝氣機和葉片等的幾種現(xiàn)代設計方法，通過這些方法可使曝氣機的設計、制造水平得到極大提高。文獻12運用有限元二維實體元素與平板殼元素組合，建立了曝氣機的結構力學分析模型，并對Q235A鋼材的葉片進行了結構強度和剛度分析。文獻13對倒傘型曝氣機的葉片建立了計算模型，用有限元法計算了強度和剛度，獲得了曝氣機葉片在最大載荷作用下各部位的應力和變形的分布情況。得到了葉片在正轉情況下的應力、變形情況以及葉片崩有頻率和振型，并對原有葉片進行了結構優(yōu)化，使曝氣機的重量有較大減輕，葉片結構更為合理。
1．4本文主要研究內容
本文研究對象為倒傘型曝氣機有限元分析與優(yōu)化設計，倒傘型曝氣機在進行試運轉時，其葉片所受到的壓力是最大的。葉片作為倒傘型曝氣機的重要部件，其設計可靠性和合理性成為整個倒傘型曝氣機設計的關鍵因素之一。因此需要對箱體進行有限元靜態(tài)和動態(tài)分析，為故障的排除提供幫助，并為葉片結構的改進提供有關數(shù)據(jù)。本文所做的主要工作如下：
l、學習有限元數(shù)值方法，了解國際上通用的有限元分析軟件，掌握有限元軟件ANSYS的使用。
2、查閱有關倒傘型曝氣機有限元分析的文獻，吸取其中好的經(jīng)驗和方法，為自己的分析研究做準備，
3、利用ANSYS軟件的建模功能建立葉片的有限元模型，進行葉片的靜態(tài)分析，考察葉片的強度和剛度。
4、對葉片進行模態(tài)分析，獲得X,Y，Z方向變形圖，分析所得結果。
5、運用APDL建模，以葉片的體積(質營)為優(yōu)化目標進行優(yōu)化分析，判斷分析的收斂性，分析優(yōu)化結果。
2 曝氣機工作原理和性能指標
2.1 國內一些具有代表性的曝氣機產(chǎn)品及其優(yōu)缺點
a.表面曝氣機(豎直軸)
它的主要結構如圖1.1，其中圖中標號:1一電機，2一葉輪，3一浮塊，4一葉輪罩殼，5一導流管，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)接長螺栓。工作時表面曝氣機置于水中，電機位于水面以上，葉輪下半部位于水下，電機直接帶動葉輪作高速旋轉，由于高速運轉產(chǎn)生負壓，使污水池中具有活性物質的污水，不斷地由導流管下部吸入，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，達到高效增氧的目的。
表面曝氣機的優(yōu)點是結構簡單，工作可靠，維修方便。缺點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，不能進行深層曝氣。
b.潛水曝氣機(豎直軸)
它的主要結構如圖1.1，其中圖中標號:1一潛水電機，2一泵殼，3一葉輪，4一動力輸出軸，5一負壓罩，6一進氣管，7一進水導向漏斗，8一機座，9一出水口，10一入水口。工作的時候，水下的潛水電機旋轉帶動離心的葉輪，通過進氣管從外界吸入空氣溶入水中。葉輪轉動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水導向漏斗和入水口流到葉輪周圍，在這個過程中使空氣浙江大學碩士學位論文緒論溶入到水中。潛水曝氣機的優(yōu)點是結構簡單，維修方便，氣泡碎化效果好，曝氣效率高。缺點是只能用于專門的污水處理池曝氣，對于軟質的河床，池塘等不能安放曝氣。
c.轉碟曝氣機(水平軸)
它的主要結構如圖1，3，其中圖中標號:1一曝氣盤，2一空心轉軸，3一齒輪式減速電動機，4一聯(lián)軸器，5一軸承座。工作時，電動機帶動支撐在軸承座上的空心轉軸和曝氣盤轉動。曝氣盤有一部分浸入在水中，通過轉動使水域中的水借助曝氣盤甩向空中，使水和空氣進行混合。曝氣盤的轉動也推動附近水域的流動。
轉碟式曝氣機的優(yōu)點是結構簡單，服務面積大，氣泡碎化效果好。缺點是安裝不方便，只能用于專門的污水處理池，無法在河流，池塘，湖泊中應用。曝氣效果主要局限于上層水面，無法進行深層曝氣。
d.倒傘曝氣機(豎直軸)
結構如下圖14所示，其中圖中標號:1一電動機，2一聯(lián)軸器，3一減速箱，4一潤滑系統(tǒng)，5一升降平臺，6一地基平面，7一靜水面，8一倒傘座，9一葉輪。
倒傘曝氣機由機械動力驅動旋轉，葉輪上均布的八個葉片環(huán)向推流甩水。但到目前，包括美國、德國和荷蘭在內的發(fā)達國家生產(chǎn)的倒傘曝氣機的傳動機構、葉輪形狀、安裝方式及動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，讓有機物、微生物和氧之間充分混合、接觸，從而達到凈化的目的。
要想更好的實現(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，值得進一步深入研究。
大功率倒傘曝氣機的優(yōu)點是結構簡單，服務面積大。缺點是安裝不方便，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也是豎直軸的，綜合了以上一些曝氣機的優(yōu)點，對工作場合沒有具體限制，是一種性能非常優(yōu)良的新型曝氣機。其結構和工作原理將在第二章第2五節(jié)中具體闡述。
2.2 優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀
2.2.1 優(yōu)化方法學的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
優(yōu)化設計是60年代初發(fā)展起來的一門新學科，它是將最優(yōu)化原理和計算機技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種設計方法。人們可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質量。因此優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計理論和方法的一個重要領域，它己廣泛應用于各個工業(yè)部門。
優(yōu)化設計發(fā)展至今已經(jīng)有多個分支，60年代在數(shù)學規(guī)劃方法(包括線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃)和電子計算機結合的基礎上發(fā)展起來的最優(yōu)化方法，目前最優(yōu)化方法己被廣泛應用。最優(yōu)化設計工作包含以下兩部分內容：
1.問題的物理模型轉變?yōu)閿?shù)學模型。建立數(shù)學模型時要選取設計變量，列出目標函數(shù)，給出約束條件。目標函數(shù)是設計問題所要求的最優(yōu)指標與設計變量之間的函數(shù)關系式。
2.采用適當?shù)淖顑?yōu)化方法，求解數(shù)學模型，可歸納為在給定的條件(例如約束條件)下求目標函數(shù)的極值或最優(yōu)問題。
但是隨著現(xiàn)代工程設計中系統(tǒng)的復雜性不斷增加，系統(tǒng)精確表征的能力就減小，在這些復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)計方法研究隨機事件現(xiàn)象以外，還有更為普遍的不確定性，即模糊性，對于這類問題不可能用傳統(tǒng)的精確數(shù)學來解決，必須有一門獨立的學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”。該學科由美國控制論專家Caiiofmia大學的L.AZadeh教授(首先提出了“模糊集合論”)所創(chuàng)立。模糊技術在工程領域的應用則是以英國工程師Mal五ndnai于1974年成功開創(chuàng)了蒸汽機車的模糊控制而解開應用的新篇章。此后又有日本學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控制。僅1989年和1990年就申報了有關模糊技術的專利2000項。我國的模糊數(shù)學研究工作開始于20世紀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《計算機與應用數(shù)學》雜志上。1978年10月13日在《光明日報》發(fā)表《介紹一門新的數(shù)學一一模糊數(shù)學》的文章。1980年n月汪浩等譯著的《模浙江大學碩士學位論文緒論糊集在系統(tǒng)分析中的應用》一書出版。1981年《模糊數(shù)學》雜志創(chuàng)刊。1982年成立了中國系統(tǒng)工程學會模糊數(shù)學與模糊系統(tǒng)委員會，迄今為止，該委員會已召開了九次年會。我國還先后三次舉辦國際會議。盡管如此，我國在模糊技術的應用開發(fā)上和國外相比還是有很大差距。進入90年代后，國家教委，國家自然科學基金委員會，國家經(jīng)貿(mào)委先后投入總額上億元的資金發(fā)展模糊技術的應用研究。目前我國在模糊數(shù)學理論方面的差距正在縮小，隨著國家對應用領域的越來越重視，相信我國在利用模糊方法解決工程優(yōu)化問題方面的差距也會越來越小。
2.3曝氣機的結構功能及工作原理詳細分析
2.3.1 曝氣機的結構功能
如圖3.3.1所示，本文需要優(yōu)化的曝氣機的結構主要由以下四部分組成:
圖3.3.1 立式倒傘曝氣機結構示意
圖3.3.2 臥式倒傘曝氣機結構示意
圖3.3.3 倒傘曝氣機安裝
圖3.3.4 倒傘曝氣機安裝尺寸
2.4 曝氣原理分析
通過對倒傘型表曝機產(chǎn)生的水流特點及曝氣過程的分析 ,可依據(jù)離心泵、等角速度旋轉液體、攪拌混合系統(tǒng)、明渠流中的水躍等基礎理論對倒傘表曝機的曝氣機理及性能參數(shù)進行定性分析。
1） 離心泵葉輪
倒傘型表曝機工作時 ,其葉輪實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系。按離心泵的基本方程 (歐拉方程 ) ,對于軸向吸液的離心泵 ,液體進入葉道前為靜止流體 (進口速度為零 ) ,離心泵的理論揚程 (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的結構及運行參數(shù) ,即可對其推動的流量與壓頭進行定性和定量分析。
2） 等角速度旋轉液體自由表面平衡
根據(jù)等角速度旋轉液體自由表面方程 ,真空壓[3]強的大小取決于旋轉角速度的大小 ,在轉軸中心處 (r=0)真空壓強最大。倒傘型表曝機攪動溝內水體也可近似看作是等角速度旋轉液體自由運動 ,即在倒傘轉軸中心處產(chǎn)生的真空壓強最大。因此可在葉輪結構上采取使葉輪旋轉時產(chǎn)生較大的真空度等措施 ,提高表曝機的曝氣效果。
3） 攪拌混合系統(tǒng)葉輪
倒傘型表曝機工作時相當于一個液體攪拌混合系統(tǒng) ,可看作是一個有 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) ,實現(xiàn)水體的充分混合 。此外倒傘型表曝機還可通過建立的關聯(lián)式 (功率曲線 ,涉及葉輪直徑、轉速、水體粘度和密度以及攪拌槽構件參數(shù)等 ) ,對葉輪不同直徑、不同轉速時的功率進行計算和校核 ,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 ,由于葉輪的旋轉及攪動 ,水流從葉輪周邊流出時形成翻滾的水流 ,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 ,下部為急劇擴散的主流 。倒傘葉輪旋轉時形成的水流躍起區(qū)域 ,按其特點的不同可分為空氣吸入點 (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壓區(qū),使大量的空氣被吸入水體然后在劇烈摻混區(qū)內 ,吸入的空氣在渦旋的剪切下形成均勻細密的氣泡,并與紊動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) ,并進入大氣;另一部分 (細小 )氣泡則在渦旋剪切區(qū)隨主流水體進入曝氣池內 ,繼續(xù)進行混合和擴散。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 。對倒傘葉輪來說 ,當水體流入葉片間的流道后 ,在葉片的推動下被迅速加速到 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。
設備整體采用立式結構，安裝方便、占地面積小，不易被濺出的污水所腐蝕。驅動機構傳動精度高，運轉平穩(wěn)，機械效率高，噪聲低，設計使用壽命超過 10 a，長期運行故障率??；性能優(yōu)良，質量可靠。倒傘型葉輪經(jīng)優(yōu)化設計，具有攪拌能力大、推流能力強、充氧量高、處理效果好、不掛臟等優(yōu)點。倒傘的升降機構為平板式結構，升降動程大，結構簡單，調節(jié)方便。整機現(xiàn)場安裝簡便 ,倒傘傘體、倒傘主軸及減速機輸出軸之間可實現(xiàn)自動對中。設備可根據(jù)用戶需要配置變頻調速裝置來調節(jié)葉輪的轉速，以獲得工藝要求的充氧量，降低能耗。
2.5曝氣機性能評價指標的確定
根據(jù)曝氣機所需要實現(xiàn)的功能，對曝氣機性能的評價主要參照技術一經(jīng)濟評價法然后結合實際的使用情況對性能指標按照重要程度進行評價。首先是技術性指標，主要有單位時間內，一定功率下，一定面積和水深的水槽內，曝氣機的清水充氧量，服務面積大小，最大插入水深，曝氣機全重。經(jīng)濟性指標按照重要程度依次是制造成本，運輸維修費用等;此外還有一些環(huán)保指標，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的主要性能指標，這些數(shù)據(jù)由廠家根據(jù)試驗情況測得。
表3.5.1曝氣機主要性能指標
其中清水的充氧量和服務面積都是非常重要的指標，也是曝氣機設計的關鍵性指標。清水的充氧量是在一定功率下曝氣機一小時的充氧量，依據(jù)儀器測得。服務面積是指以曝氣機軸心為中心，以氣水混合流到達的最遠位置處為半徑，該半徑范圍內的圓面積。因此這兩個指標是本文所研究的最重要的兩個指標，可以浙江大學碩士學位論文曝氣機性能評價指標的確定這么說:一個一定功率的曝氣機在單位時間內充氧量越多，服務面積越大其性能就越優(yōu)越。當然還要考慮其經(jīng)濟性指標，由于曝氣機運行時其傳動軸是在污水中工作，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計有關。軸承的更換周期就是一個重要的經(jīng)濟性指標。另外一個比較重要的經(jīng)濟性指標就是制造成本和運輸費用。其中制造成本和結構設計有關，運輸費用和整體重量有關。因此可以說一個曝氣機其軸承更換周期越長，加工成本越低，重量越輕其經(jīng)濟性指標就越好。
對于優(yōu)化后的曝氣機性能指標也需要給定一個量化的評價指標，以直觀的將優(yōu)化前后的曝氣機各項性能進行對比，為此介紹一下評分法。之前需要注意以下幾點:
1.評分標準(評價尺度)要能度量評價對象與給定要求的符合程度;
2.評分標準(評價尺度)應概括較大的范圍，能對所有方案做出評價:
3評分標準(評價尺度)應準確、明了、不致引起誤解。
評分標準有兩種表示方法，一種是5分制，另一種是or分制，在特征尚不清楚的時候，可以采用5分制;在評價對象較為具體，特征較為明顯的時候，可以采用10分制，采用10分制的評分標準評分顯得更為細致。本文的評價對象是方案，也就是說評價是在方案設計階段進行的，具體化程度比較低，所以采用5分制的評分標準。5分制和10分制兩種評分標準的內容如表3.5.2所示。
表3.5.2評分標準
評分法是根據(jù)規(guī)定的標準用分值作為衡量方案優(yōu)劣的尺度，對方案進行定量評價。如有多個評價目標時，則先分別對各目標評分，再經(jīng)處理求得方案的總分。其中總分的計算方法可以有多種，包括分值相加法、分值連乘法、均值法、相對值法或有效值法(加權積分法)。其中綜合考慮評價目標分值及加權系數(shù)的有效值作為方案的評價依據(jù)較合理，應用的也最為廣泛。各種記分方法和特點見表3.5.3所示。
表3.5.3 總分計算方法和特點
表中:Q----方案總分值;N----有效值;n----評價目標數(shù);Pi----各評價目標平分值;g1----各評價目標的加權系數(shù);QO----理想方案總分值。
本文采用加權記分法計算優(yōu)化前后的曝氣機性能評分，以驗證優(yōu)化結果的可靠性和有效性。
加權系數(shù)是確定目標的重要性系數(shù)，主要在定量評價時用以考慮各評價目標重要程度。加權系數(shù)是反映評價目標重要程度的量化系數(shù)，加權系數(shù)大，意味著重要程度高。為了便于分析計算，一般取各評價目標加權系數(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 倒傘曝氣機總成二維平面圖
3.3 曝氣機的優(yōu)化設計方法
曝氣機具有充氧、推流和攪拌性能,反映這些性能的主要指標是充氧動力效率和底部流速。其中最主要性能指標是充氧動力效率
其中，
其中, OR 是在室溫和一個標準大氣壓下的氧氣傳輸速率(mg/L /h) ,是試驗時的氧氣飽和濃度,這里假設為常數(shù)。為標準條件下的氧氣傳輸體積系數(shù)，表達式為：
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、厚度關系密切,而且葉片的流線也是影響攪拌功率的一個主要因素。因此為了更好的研究葉片的流線和外形,從葉片的應力應變研究入手。對葉片的形狀和厚度進行優(yōu)化設計。
因此,對于攪拌葉片的優(yōu)化設計關系到整個曝氣機性能的優(yōu)化。
本文采用的葉片優(yōu)化方法:運用有限元分析軟件找出葉片的應力危險區(qū),以有目的性的去實施補救措施, 對于受力變形大的區(qū)域,可以加厚葉片或采用加強筋板;對于應力比較的小的區(qū)域可以采取相對較薄的設計, 減輕整機的質量,降低制造成本,并提高工作效率。
3.4 倒傘型曝氣機的有限元分析
設單元內任意點的位移函數(shù)為u ( x, y, z) , v ( x, y, z) , w( x, y, z)或
利用節(jié)點處的邊界條件,以a表示的節(jié)點位移并寫成：
這里,為相應矩陣,代入d = Sa得用節(jié)點位移表示單元體內任意點位移的插值函數(shù)式:
根據(jù)位移插值函數(shù), 由彈性力學給出的應變和位移關系, 可計算出應變?yōu)?
式中, B 表示應變矩陣。相應的變分為
由彈性力學物理關系,得應力與應變的物理關系式為
式中, D是彈性矩陣。
根據(jù)虛位移原理:可得單元節(jié)點力與位移之間的關系式:
式中, Ke 是單元特性,即剛度矩陣,并可寫成
把各單元按節(jié)點組集成與原結構相似的整體結構,得整體的節(jié)點力與節(jié)點位移的關系式,即整體結構的平衡方程
式中, K表示整體結構的剛度矩陣, f表示整體荷載列陣, q表示整體結構所有節(jié)點的位移列陣,對于結構靜力分析載荷列陣f可包括:
式中,(體積力轉移) , (表面力轉移) ,
可采用不同的計算方法解有限元方程, 得出節(jié)點的位移。需要注意的是,在求解之前必須對結構平衡方程組進行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點位移q。
在計算出各單元的節(jié)點位移后, 利用式( 6)和( 8)即可求解出相應的節(jié)點應力。
本文選用ANSYS作為分析平臺對葉片工作過程進行有限元分析。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 !定義標題
FINISH
!導入葉片IGES格式的幾何模型
!=============================================開始有限元模型的建立
/PREP7 !進入前處理器
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 !選擇所有實體
VMESH,all !劃分所有實體,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 !進入求解器
ANTYPE,0 !設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,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壓力
ALLSEL,ALL
SOLVE !求解計算
FINISH !完成
save !保存所有文件
!==============================================完成靜力分析的求解計算
!==============================================結果查看
/POST1 !進入后處理器
!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 , 標準：GB/T 700-1988
化學成份：
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
力學性能
抗拉強度 σb (MPa)：375～460
屈服強度 σs (MPa)：≤16時:≥235; >16～40時:≥225; >40～60時: ≥215; >60～100 時: ≥205; > 100～150 時: ≥195; >150時: ≥185
伸長率 δ5 (%)：≤16時:≥26;>16～40時:≥25;>40～60時:≥24;>60～100時:≥23;>100～150時:≥22;>150時:≥21
3.6 葉片的網(wǎng)格模型
Unigraphics NX提供了與ANSYS DesignSpace雙向參數(shù)互動的嵌入式接口，有助于工程意識強烈、CAE背景薄弱，且熟悉CAD結構設計的人員使用，使設計人員很方便地進行自適應映射網(wǎng)格劃分、工況加載、單位制自動換算、分析求解、計算報告生成等工作。在完成覆蓋件產(chǎn)品設計后，由于產(chǎn)品包含多個自由曲面特征，如采用傳統(tǒng)的IGES格式傳遞數(shù)據(jù)，在ANSYS環(huán)境下還需要進行大量的修補工作。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個單元（Element）和45668個節(jié)點（Node）。對于SMC復合材料覆蓋件的分析，由于DesignSpace目前不支持復合材料，因此需要和ANSYS交換數(shù)據(jù)來實現(xiàn)其分析結果的提取。
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葉片施加邊界條件個載荷，圖中箭頭代表矢量力
圖3.7 邊界條件圖
3.5.2葉片結構應力分析
有限元的計算，就是將形狀復雜以及受力情況復雜的零件化分為有限數(shù)目的單元，再分別計算這些單元的受力和變形情況，然后將這些單元整合起來，就形成了整個零件的受力變形圖。
3.5.2.1 葉片應力和變形分析
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 等效應力云圖
3.5.2.2 計算結果與分析
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,在葉片的設計制造中采取一些措施防止葉片過度變形至關重要。
2） 應力分析
載荷作用下氣瓶的應力強度云圖如圖5.12所示。從圖5.12可以看出，葉片總體應力分部比較均勻。葉片應力分布圖顯示,最大應力發(fā)生在葉片下部的圓弧部位和葉片的折彎板根部,應力分布見圖5.12, 最大應力213.09 MPa。葉片尖端和幅板的應力值均較低。
通過對曝氣機葉片的有限元分析,獲得了葉片的應力和變形值,從應力云圖上可以看出最大應力發(fā)生在葉片下部的圓弧部位和葉片的折彎板根部。葉片的強度滿足要求。從分析的結果看,利用ANSYS進行有限元分析能得到滿意的解,在對結構進行分析后,可獲得大量的數(shù)據(jù)和圖片,為改進設計提供參考依據(jù)。
4 總結
隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，環(huán)保設備，特別是污水處理設備將具有越來越好的市場前景，企業(yè)要提高市場競爭力以獲取較大的市場份額，需要在原有產(chǎn)品基礎上做進一步優(yōu)化，以提升產(chǎn)品的性能，降低成本。本文針對曝氣機這一具體產(chǎn)品進行結構優(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)新點主要體現(xiàn)在以下三個方面:
首先，本文運用優(yōu)化設計相關的方法學思想，提出利用CAE技術和傳統(tǒng)的試驗方法相結合，并首次將之應用于曝氣機結構優(yōu)化和工作狀態(tài)模擬中來，實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技術對產(chǎn)品結構進行優(yōu)化具體又包含對基于CAE技術的計算模型的優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的計算模型用于曝氣機結構優(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)約了大量試驗成本，提高了產(chǎn)品優(yōu)化設計的可靠性。并且己使企業(yè)擁有自主的知識產(chǎn)權，對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益起到了積極的推動作用。
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