1732_倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
1732_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)
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11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(dāng)截?cái)嗾`差的級數(shù)展開式表達(dá)。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(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此類問題的深刻認(rèn)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(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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21.2.1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、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴(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)分析往往局限于簡化條件下.用解析法求解問題,即將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化為許多便于計(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。由于作了過多地簡化,計(jì)算模犁構(gòu)造得非常簡單,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)行可視南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3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)度評定,使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有針對性,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耦臺等。而且對于各神不同性質(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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4l、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)間步長的自適麻調(diào)幫。4、網(wǎng)格自動生成專家系統(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多的經(jīng)驗(yàn)和正確的判斷,網(wǎng)絡(luò)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(yàn)?zāi)辍的知識、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)值求解和對數(shù)值結(jié)果的解釋、評價(jià)于一體的基?。R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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文51.3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集成對葉片建模和受力分析對指導(dǎo)現(xiàn)場作業(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本文主要研究內(nèi)容本文研究對象為倒傘型曝氣機(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。因此需要對箱體進(jìn)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(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,為自己的分南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6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)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: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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文7表面曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,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:1一潛水電機(jī),2一泵殼, 3一葉輪,4一動力輸出軸,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:1一曝氣盤,2一空心轉(zhuǎn)軸,3一齒輪式減速電動機(jī),4一聯(lián)軸器,5一軸承座。工作 時(shí), 電動機(jī)帶動支撐在軸承座上的空心轉(zhuǎn)軸和曝氣盤轉(zhuǎn)動。曝氣盤有一部分浸入在水中,通過轉(zhuǎn)動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)動也推動附近水域的流動。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8轉(zhuǎn)碟式曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,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:1一電動機(jī), 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(jī)由機(jī)械動力驅(qū)動旋轉(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、德國和荷蘭在內(nèi)的 發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的倒傘曝氣機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)、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(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,還能形成南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文9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(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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文10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《光明日報(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年成立了中國系統(tǒng)工程學(xué)會模糊數(shù)學(xué)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(shù)的應(yīng)用開發(fā) 上和國外相比還是有很大差距。 進(jìn)入90年代后,國家教委,國家自然科學(xué)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(shù)的應(yīng)用研究。目前我國在模糊數(shù)學(xué)理論方面的差距正在縮小,隨著國家對應(yīng)用領(lǐng)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(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:南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11圖3.3.1 立式倒傘曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文12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)安裝南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13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) ,即可對其推動的流量與壓頭進(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 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14,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 ,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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文15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)動機(jī)構(gòu)傳動精度高,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,長期運(yùn)行故障率小;性能 優(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),升降動程大, 結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)節(jié)方便。整機(jī) 現(xiàn)場安裝簡便 ,倒傘傘體、倒傘主軸及減速機(jī)輸出軸之間可實(shí)現(xiàn)自動對中。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,對曝氣機(jī)性能的評價(jià)主要參照技術(shù)一經(jīng)濟(jì)評價(jià)法然后結(jié)合實(shí)際的使用情況對性能指標(biāo)按照重要程度進(jìn)行評價(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)儀器測得。服務(wù)面積是指以曝南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16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,加工成本越低,重量越輕其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)就越好。對于優(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)行對比,為此介紹一下評分法。之前需要注意以下幾點(diǎn):1.評分標(biāo)準(zhǔn)(評價(jià)尺度)要能度量評價(jià)對象與給定要求的符合程度;2.評分標(biāo)準(zhǔn)(評價(jià)尺度)應(yīng)概括較大的范圍,能對所有方案做出評價(jià):3評分標(biāo)準(zhǔn)(評價(jià)尺度)應(yīng)準(zhǔn)確、明了、不致引起誤解。評分標(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;在評價(jià)對 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分制的評分標(biāo)準(zhǔn)評分顯得更為細(xì)致。本文的評價(jià)對象是方案,也就是說評價(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 評分標(biāo)準(zhǔn)。 5分制和10分制兩種評分標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容如表3.5.2所示。表3.5.2評分標(biāo)準(zhǔn)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文17評分法是根據(jù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)用分值作為衡量方案優(yōu)劣的尺度,對方案進(jìn)行定量評價(jià)。如有多個(gè)評價(jià)目標(biāo)時(shí),則先分別對各目標(biāo)評分,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、相對值法或有效值法(加權(quán)積分法) 。其中綜合考慮評價(jià)目標(biāo)分值及加權(quán)系數(shù)的有效值作為方案的評價(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----評價(jià)目標(biāo)數(shù);P i----各評價(jià)目標(biāo)平分值;g 1----各評價(jià)目標(biāo)的加權(quán)系數(shù);Q O----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),主要在定量評價(jià)時(shí)用以考慮各評價(jià)目標(biāo)重要程度。加權(quán) 系數(shù)是反映評價(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 評價(jià)目標(biāo)加權(quán)系數(shù)g12.10南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文23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δ南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24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)是充氧動力效率和底部流速。其中最主要性能指標(biāo)是充氧動力效率其中,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為單位體積的功率南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文25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。對葉片的形狀和厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,對于攪拌葉片的優(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;對于應(yīng)力比較的小的區(qū)域可以采取相對較薄的設(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,并可寫成南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文26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作為分析平臺對葉片工作過程進(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)置單元尺寸大小南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文27TYPE,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,ALLSFA,39,1,PRES,0.05 SFA,30,1,PRES,0.05 !在幾何面上施加分布壓力ALLSEL,ALL南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文28SOLVE !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)互動的嵌入式接口,有助于工程意識強(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)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文29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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文30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(gè)載荷,圖中箭頭代表矢量力南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文31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)力和變形分析南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32圖3.8 總位移云圖圖3.9 X方向變型圖南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文33圖3.10 Y方向變型云圖圖3.11 Z方向變型云圖南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文34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。從南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文35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(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 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)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化具體又包含對基于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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文36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)擁有自主的知識產(chǎn)權(quán), 對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了積極的推動作用。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 20062 濮良貴 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 20073 倒傘型表面曝氣機(jī) JB/T10670-20064 邢普等 非等角對數(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) 2008.25 D. 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