0348-倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計

0348-倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計,傘形,曝氣機,有限元分析,優(yōu)化,設計 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、課題依據及課題的意義 隨著科學技術的發(fā)展，機械產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，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，到今天有限元在工程上得到廣泛應用，經歷了三十多年的發(fā)展歷 史，其理論和算法都已經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， 已經成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現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，是現代產品設計中的高級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／)實現真正無縫的雙向數據交換。因 此ANSYS也能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro／Engineer, NASTRAN，Alogor,I--DEAS，AutoCAD等，并且已成為現代產品設計中的高級 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，通過建立產品的有限元分析模型，進行有 關的分析計算，并根據分析結果對產品進行優(yōu)化設計。因此在設計階段較精確的預 測出產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)能對現代市場產品的多樣性、復 雜性、可靠性、經濟性等做出迅速反應，增加了企業(yè)的市場競爭力。計算機數值模 擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段，在生產實踐中已經普遍應用。 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； 在產品制造或工程施工前預先發(fā)現潛在的問題； 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經費； 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，FEA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等公司的產品。當今國際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現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值分析方法。而且從理論上也已經證明，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，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，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，非線性的數值計算是很復雜的，它涉及到很多專門的數學問題和運算技巧，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據處理功能 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，而數據準備和運算結果的表現問題卻日益突出。在現在的工程工作站上，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據準備和結果分析上。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據處理模塊。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格自動劃分，生成有限元分析所需數據，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據的列表輸出。 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)，內存中的公共數據塊受到限制，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比較成熟，現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，而且很少有現成的軟件可以借鑒，所以需要投入大量的人力和經費。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 非等角對數螺旋線攪拌葉片的實驗研究 工程設計學報 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，氧氣曝氣國內外發(fā)展概況，上海市政工程，1999年2月第1期 7 孫靖民，機械優(yōu)化設計，機械工業(yè)出版社1989年2月 8 劉惟信，孟嗣宗，機械最優(yōu)化設計，清華大學出版社，1986年9月第1版 9 謝慶生，羅延科，李屹編著，機械工程模糊優(yōu)化方法，機械工業(yè)出版社，2001年7月第一版 10 樊會元，席光，王尚錦，遺傳算法在流體機械設計中的應用，機械科學與技術2000年11月第6期 11 邱棟，徐志梁，CAE的發(fā)展及其在產品設計中的應用，家電科技，2004年第4期 12 程耿東，顧元憲，王健，我國機械優(yōu)化應用研究的綜述和展望，機械強度，1995年第17卷第2期 13 朱伯芳，復雜結構滿應力設計的浮動應力指數法.固體力學學報.1984年5卷第2期；255-261 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