机械设计制造及其自动化毕业设计倒伞形曝气机有限元分析及优化设计论文Word格式.docx

1、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（Finite Element Method，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

2、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。 121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

3、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

4、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122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

5、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

6、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

7、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、COSMOSWorks、ABAQHS、ASKA、IDEAS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。123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

8、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

9、。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

10、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

11、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。13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ID E A S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MXl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

12、分析条件ANSYS系统中进行了有限元分析，实践证明，使朋MDTANSYS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

13、减轻，叶片结构更为合理。14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

14、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

15、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