倒伞型曝气机有限元分析及优化设计.docx

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倒伞型曝气机有限元分析及优化设计

倒伞型曝气机有限元分析及优化设计

摘要：

研究污水处理设备强度优化问题,倒伞型曝气机是污水生物处理技术中的关键设备,具有充氧、搅拌和推流等作用。

搅拌叶轮的设计和优化对其最主要的性能指标充氧动力效率至为关键。

在研究曝气机充氧机理的基础上,对曝气机的叶片进行了实体建模、有限元分析和优化设计。

首先利用ANSYS平台对叶片工作过程进行了研究,通过实体建模、网格划分和有限元分析等过程,对曝气机搅拌叶片在工作状态的应力应变情况进行了有限元仿真分析。

仿真结果明确了叶片的薄弱环节,并为进行优化和改良结构,为产品的生产设计提供了研究依据。

关键词:

倒伞曝气机;有限元分析;优化设计

指导老师签名：

FiniteElementAnalysisandOptimalDesignforInvertedUmbrellaAerator

Abstract：

Theinvertedumbrellaaeratoristhekeyequipmentofbiologicalwastewatertreatmenttechnology,whichhastheeffectsofoxygenation,mixingandplug-flow.Thedesignandoptimizationofthemixingimpellerismostimportanttotheefficiencyofoxygenation.Inthispaper,thesolidmodelingandfiniteelementanalysisandopti2maldesignofaeratorbladesweremadebasedonthestudyoftheoxygenationmechanism.Firstly,theworkingprocessofthebladeswasstudiedthroughsolidmodeling,meshgenerationandfiniteelementanalysisprocess,andthestress-strainfiniteelementanalysiswasofferedbasedonANSYS,whichidentifiedtheweaklinksintheleaves.Andmore,theoptimizedandimproveddesignsfortheproductionweremade,whichsetthefoundationforthemanu2factureoftheblades.

Keywords:

Invertedumbrellaaerator;Finiteelementanalysis;Optimaldesign

SignatureofSupervisor:

1绪论

1.1前言....................................................................................................................1

1.2有限元方法简述.................................................................................................1

1.2.1有限元法的发展历史.........................................................................................2

1.2.2有限元法在工程结构分析中的应用.................................................................2

1.2.3有限元法的新发展.............................................................................................3

1.3倒伞型曝气机的有限元分析现状.....................................................................4

1.4本文主要研究内容.............................................................................................5

2曝气机工作原理和性能指标

2.1国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点..........................................6

2.2优化设计研究现状...........................................................................................8

2.2.1优化方法学的发展与研究现状.......................................................................8

2.3曝气机的结构功能及工作原理详细分析.....................................................10

2.4曝气原理分析.................................................................................................12

2.5曝气机性能评价指标的确定.........................................................................14

3基于ANSYS曝气机的有限元分析与优化设计

3.1有限元软件ANSYS概述.................................................................................18

3.1.1ANSYS软件环境简介......................................................................................18

3.1.2ANSYS软件主要特点......................................................................................20

3.2倒伞型曝气机叶片标准与二维图形.............................................................21

3.3曝气机的优化设计方法.................................................................................23

3.4倒伞型曝气机的有限元分析.........................................................................23

3.5叶片材料的选择.............................................................................................26

3.6叶片的网格模型.............................................................................................27

4总结.......................................................................................................................34

参考文献.......................................................................................................................35

致谢.......................................................................................................................36

1绪论

1．1前言

CAE（ComputerAidedEngineering）技术，即计算机辅助工程稃技术，是一个涉及面广、集多种学科与工程技术于一体的综合性，知识密集犁技术。

相应的CAE软件则是包含了数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真在内的综合型软件系统。

CAE技术的发展动力是CAD＼CAM技术水平和应用水平的提高，CAE技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，CAE软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，其核心内容是计算机模拟利仿真。

本文的理论依据来自有限元法。

1．2有限元方法简述

结构分析的目的是为了弄清楚结构系统在承受一定载荷下的物理响应，以指导结构设计。

一般来说，结构分析方法可分为两大类：

经典法和数值法。

经典法是精确解法和近似解法。

即在给定边界条件下直接采用控制微分方程来求解工程问题，其方程是基于物理原理而建立的。

闭合硝精确解仅对几何形状、载荷与边界条件最简单的情况才可得到。

近似解法是对控制微分方程求得近似解，采用适当截断误差的级数展开式表达。

它同样要求有规则的儿何形状、简单边界条什以及简单载荷。

经典法虽可求得某些经典问题，但远离大多数实际工程问题，经典法的主要优点是通过一类问题的解来得到对此类问题的深刻认识。

数值法有能量法、边界元法、有限元法等。

其中有限元法（FiniteElementMethod，FEM），是近三、四十年随着计算机的发展而发展起来的戍用于各种结构分析的数值计算方法。

它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干有限单元的集合体，通过单元分析和组合，得到一组联立代数方稃，最后求得数值解，它通过采用多种规则形状的单元米处理实际上无限制的任何问题。

这些单元可组合成近似的任何不规则边界。

类似地，任何类型的载荷和约束条件也可提供。

有限元法是工程上运用最为成功、最为广泛的一种数值计算法。

1．2．1有限元法的发展历史

从数学角度来看，有限元法基本思想的提出，可以从1943年Courant的开创性工作为标志。

他第一次尝试应用在三角形区域上的分片连续函数和晟小位能原理相结合，来求解扭转问题。

从应用角度来看，有限元法的第一个成功尝试，是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是Turner、Clough等人在1956年分析飞机结构时得到的成果。

他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。

他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。

1960年Clough迸一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认识有限单元法的功效。

1960年以后，随电子计算机的广泛应用和I发展。

有限元法的发展速度才显著加快。

半个世纪以来，理论上，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。

实践上，有限元法已经应用于许多学科，已由弹性力学平面问题扩展剑空间问题、板壳问题。

由静力平衡问题扩展剑稳定问题、动力问题和波动问题。

分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从嗣体力学扩展到液体力学、传热学等连续介质力学领域。

在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合．

1．2．2有限元法在工程结构分析中的应用

传统的结构分析往往局限于简化条件下．用解析法求解问题，即将产品结构简化为许多便于计算的“平面结构”或进行截断、分解成各个单一的零部件。

如。

轩系、柱，板、壳、块体”等．运用材料力学、弹塑性力学等相应理论进行分析，从中得出一些计算公式，再按公式计算各处参量。

由于作了过多地简化，计算模犁构造得非常简单，计算结果往往粗略，与实际情况相著较大。

而有限元方法却能对档体结构建立精确模型进行分析，如飞机、船舶、桥梁、大坝、压力容器，海洋平台等。

它的主要优点是能较准确描述铍分析物的结构的实际形状、约束条件和受力特征。

在正确建模的基础上，不仅可以得到较准确的计算结果而且还可对整个结构的麻力、应变和位移分布、模态等进行可视化观察。

由有限元分析所得到的计算结果可作为结构优化的基础。

采用有限元分析可以取代以往的以试验方法所进行的力学分析，与试验验证相比，有限元应力分析更容易和更准确地得到诸如应力分布、应力水平、屈服区域等；同时有限元方法可以计算出构件内部的应力（这对试验方法来说非常凼雉），人们可以按照某一点、某一条线或某一个平面进行强度评定，使得结构的设计和改进具有针对性，达剑既安全又经济的目的。

它不但可以解决工程中的线性问题、非线性问题，如塑性、屈曲、蠕变、热塑性、过屈曲、断裂、冲击、穿透、疲劳、流固耦合、刚柔体耦台等。

而且对于各神不同性质的材料，如备向异性，各向同性、粘弹性和粘塑性材料以及流体均能求解。

另外，对过程中展有普遍意义的非稳态问题也能求解，甚至还可以模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸、燃烧和应力波的传播。

有限元法也有不足之处，例如对一特殊问题只能求得一个具体的数值结果，不能得到不同的参数变化时系统的反馈；而且构造一个对真实问题尽可能逼近的有限元模型．需要丰富的有限元建模经验和对实际问题的准确判断。

这不仅仅是有限元法才有的缺点，而且也不影响有限元法在工程技术领域的广泛应用。

到目前为止，人们己非常成功地朋有限元法实现了各式各样工程问题的计算。

在机械工稃中，已经计算分析了机床、齿轮、汽车变速器、内燃机曲轴、水轮机叶片、汽车车架等。

所有这些应用都大大地为设计人员提高产品质量。

加快新产品研制步伐，节约人工与材料无不起到不可估鼙的作用，由此产生或带来了巨大的社会效益和经济效益。

与此同时应运而生的有限元分析软什多达几百种，其中国内外著名的有ANSYS、NASTRAN，Algor、COSMOS／Works、ABAQHS、ASKA、I—DEAS等包含了各种条件下的有限元分析程序，它们使用方便，计算精度高．其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

1．2．3有限元法的新发展

计算机硬件的发展是有限元法赖以发展的基础，其它领域的一些新思想、新方法已开始引入有限元法。

计算技术的最新发展特别是图形和图像处理能力、并行计算能力从根本上改变了有限元法在各个领域中应用的深度和广度。

l、随机有限元法。

随机有限元法是将概率论、随机过程和数理统计引入有限元法，使其数一学模型更接近实际，因为它考虑了材料、尺寸、形状、边界条件、载荷、工作环境等参数所具有的随机性、分散性和I时间性。

随机有限元主要应用于计算机辅助可靠性设计分析、随机过程和可靠性分析应用最广泛的疲劳寿命预估和裂纹扩展问题。

2、模糊有限元法。

由于有限元建立的结构模型其输入信息（如材料性质、几何形状、边界条件、载荷信息）方面的不确定性和模糊性，而将模糊数学引入有限元法。

模糊有限元法尤其适用于优化设计分析。

3、自适应有限元法。

自适应有限元法是一种根据中间计算结果自动调整算法以改进求解过程的数值方法。

主要有误著估计、白适戍网格改进、非线性问题中载荷增量的自适应选取及瞬态问题中时间步长的自适麻调帮。

4、网格自动生成专家系统。

由于给定问题的计算效率和计算结粟的精确度在相当挥度上取决于计算模型是否合理，包括单元类刑的选用、节点的布局、网格线的生成、载荷的简化以及边界条件的模拟等。

冈此，有限元计算的单元节点配置和划分需要相对多的经验和正确的判断，网络自动生成专家系统就冈此而发展起来。

5、基于知识的有限元法。

基于知识的有限元法就是基于人]：

智能知识的专家系统有限元法。

该系统输入专家的经验年¨专K的知识、诀窍，建立了以有限元方法为基础的结构分析辅助系统——智能化前端系统和模型化系统，建立了综合模型化、数值求解和对数值结果的解释、评价于一体的基丁．知识的新型分析系统。

这些系统可帮助结构分析人员初选模型．自动修改模型和选择用在分析中的合适算法。

6、并行有限元算法。

因大型并行计算机和可以作并行处理的微机网络的出现，导致了有限元的分析方法和求解策略的相应变化。

为了适应并行处理的多指令，多数据结构，发展了有限元分析的并行化过程，包括有限元分析原有的各个步骤：

生成单元矩阵；组装总体方程；求解方程组；给出节点位移、速度和加速度；单元的应变、应力及其它响应。

运用并行有限元计算可成倍提高有限元法在传统串行计算机上的运行速度，故它是高效能的，使得许多串行计算机和串行算法不能求解或求解不好的大型和巨型复杂工程问题能得到满意解答。

1．3倒伞型曝气机的有限元分析现状

虽然在工作中曝气机破坏的可能性比较小，但是它的刚性对曝气机运转的平稳性起着决定作用，而且影响叶片工作状况。

文献9用有限元法建立了Q235A材料的叶片静力学模型，用I—DEAS软件对叶片结构进行了分析，指出了叶片薄弱的原因．改造了叶片结构，其强度有了显著的提高，制造成本有较大的降低，并验证了原有Q235A钢材的性能。

文献10应用几何造型设计条件系统（MDT）建立了MX—l型曝气机的实体模型，通过计算得出叶片的受力情况，在有限元分析条件ANSYS系统中进行了有限元分析，实践证明，使朋MDT／ANSYS集成对叶片建模和受力分析对指导现场作业有重要意义。

文献11着重介绍了曝气机和叶片等的几种现代设计方法，通过这些方法可使曝气机的设计、制造水平得到极大提高。

文献12运用有限元二维实体元素与平板壳元素组合，建立了曝气机的结构力学分析模型，并对Q235A钢材的叶片进行了结构强度和刚度分析。

文献13对倒伞型曝气机的叶片建立了计算模型，用有限元法计算了强度和刚度，获得了曝气机叶片在最大载荷作用下各部位的应力和变形的分布情况。

得到了叶片在正转情况下的应力、变形情况以及叶片崩有频率和振型，并对原有叶片进行了结构优化，使曝气机的重量有较大减轻，叶片结构更为合理。

1．4本文主要研究内容

本文研究对象为倒伞型曝气机有限元分析与优化设计，倒伞型曝气机在进行试运转时，其叶片所受到的压力是最大的。

叶片作为倒伞型曝气机的重要部件，其设计可靠性和合理性成为整个倒伞型曝气机设计的关键因素之一。

因此需要对箱体进行有限元静态和动态分析，为故障的排除提供帮助，并为叶片结构的改进提供有关数据。

本文所做的主要工作如下：

l、学习有限元数值方法，了解国际上通用的有限元分析软件，掌握有限元软件ANSYS的使用。

2、查阅有关倒伞型曝气机有限元分析的文献，吸取其中好的经验和方法，为自己的分析研究做准备，

3、利用ANSYS软件的建模功能建立叶片的有限元模型，进行叶片的静态分析，考察叶片的强度和刚度。

4、对叶片进行模态分析，获得X,Y，Z方向变形图，分析所得结果。

5、运用APDL建模，以叶片的体积（质营）为优化目标进行优化分析，判断分析的收敛性，分析优化结果。

2曝气机工作原理和性能指标

2.1国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点

a.表面曝气机（竖直轴）

它的主要结构如图1.1，其中图中标号:

1一电机，2一叶轮，3一浮块，4一叶轮罩壳，5一导流管，6一平衡板，7一叶轮轴，8一下连接盘，9一上连接盘，10一联接长螺栓。

工作时表面曝气机置于水中，电机位于水面以上，叶轮下半部位于水下，电机直接带动叶轮作高速旋转，由于高速运转产生负压，使污水池中具有活性物质的污水，不断地由导流管下部吸入，在叶轮作用下向上提升，并从上下连接盘间呈抛物线形喷出，形成水幕，把大量的空气带入水中，达到高效增氧的目的。

表面曝气机的优点是结构简单，工作可靠，维修方便。

缺点是曝气效果主要局限于上层水面，气泡碎化不明显，曝气效率不高，不能进行深层曝气。

b.潜水曝气机（竖直轴）

它的主要结构如图1.1，其中图中标号:

1一潜水电机，2一泵壳，3一叶轮，4一动力输出轴，5一负压罩，6一进气管，7一进水导向漏斗，8一机座，9一出水口，10一入水口。

工作的时候，水下的潜水电机旋转带动离心的叶轮，通过进气管从外界吸入空气溶入水中。

叶轮转动使周围的水通过出水口流到周围水域中，周围水域的水又通过进水导向漏斗和入水口流到叶轮周围，在这个过程中使空气浙江大学硕士学位论文绪论溶入到水中。

潜水曝气机的优点是结构简单，维修方便，气泡碎化效果好，曝气效率高。

缺点是只能用于专门的污水处理池曝气，对于软质的河床，池塘等不能安放曝气。

c.转碟曝气机（水平轴）

它的主要结构如图1，3，其中图中标号:

1一曝气盘，2一空心转轴，3一齿轮式减速电动机，4一联轴器，5一轴承座。

工作时，电动机带动支撑在轴承座上的空心转轴和曝气盘转动。

曝气盘有一部分浸入在水中，通过转动使水域中的水借助曝气盘甩向空中，使水和空气进行混合。

曝气盘的转动也推动附近水域的流动。

转碟式曝气机的优点是结构简单，服务面积大，气泡碎化效果好。

缺点是安装不方便，只能用于专门的污水处理池，无法在河流，池塘，湖泊中应用。

曝气效果主要局限于上层水面，无法进行深层曝气。

d.倒伞曝气机（竖直轴）

结构如下图14所示，其中图中标号:

1一电动机，2一联轴器，3一减速箱，4一润滑系统，5一升降平台，6一地基平面，7一静水面，8一倒伞座，9一叶轮。

倒伞曝气机由机械动力驱动旋转，叶轮上均布的八个叶片环向推流甩水。

但到目前，包括美国、德国和荷兰在内的发达国家生产的倒伞曝气机的传动机构、叶轮形状、安装方式及动力效率几乎都徘徊在原有水平，未曾有大的突破。

由于搅拌叶片基本都是采用大角度倒锥、宽叶片直辐射布置。

相应的搅拌和提升能力较弱，完全依靠平推能力是不可能完全阻止污泥在氧化沟中的沉降的。

只有在处理水域的周边形成辐射循环外，还能形成水域的上下循环，才能更好的使空气中的氧溶入水中，让有机物、微生物和氧之间充分混合、接触，从而达到净化的目的。

要想更好的实现四周和向下的推流，形成更大的空穴，挟裹更多的空气进入，并且使气泡碎化，需要不等变径，按照一定规律排列的弧面叶片组合。

经过我们初步的研究发现，变径曲面弧形叶片，按照非等变角对数螺旋线升序排列，具有更为优越的推流搅拌能力，由于叶片的流体特性，能形成载流体的旋流和喷射，从而拥有更加优良的充氧曝气性能，并且这种组合也有利于降低功率的损耗，值得进一步深入研究。

大功率倒伞曝气机的优点是结构简单，服务面积大。

缺点是安装不方便，只能用于专门的污水处理池，气泡碎化效果不明显，曝气效率低。

本文所研究的曝气机也是竖直轴的，综合了以上一些曝气机的优点，对工作场合没有具体限制，是一种性能非常优良的新型曝气机。

其结构和工作原理将在第二章第2五节中具体阐述。

2.2优化设计研究现状

2.2.1优化方法学的发展与研究现状

优化设计是60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。

利用这种设计方法。

人们可以从众多的