0348-倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
0348-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)
目 錄
1 緒論
1.1 前言....................................................................................................................1
1.2 有限元方法簡(jiǎn)述.................................................................................................1
1.2.1 有限元法的發(fā)展歷史.........................................................................................2
1.2.2 有限元法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用.................................................................2
1.2.3 有限元法的新發(fā)展.............................................................................................3
1.3 倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析現(xiàn)狀.....................................................................4
1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容.............................................................................................5
2 曝氣機(jī)工作原理和性能指標(biāo)
2.1 國(guó)內(nèi)一些具有代表性的曝氣機(jī)產(chǎn)品及其優(yōu)缺點(diǎn)..........................................6
2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀...........................................................................................8
2.2.1 優(yōu)化方法學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀.......................................................................8
2.3 曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細(xì)分析.....................................................10
2.4 曝氣原理分析.................................................................................................12
2.5 曝氣機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定.........................................................................14
3 基于ANSYS曝氣機(jī)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1 有限元軟件ANSYS概述.................................................................................18
3.1.1 ANSYS軟件環(huán)境簡(jiǎn)介......................................................................................18
3.1.2 ANSYS軟件主要特點(diǎn)......................................................................................20
3.2 倒傘型曝氣機(jī)葉片標(biāo)準(zhǔn)與二維圖形.............................................................21
3.3 曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.................................................................................23
3.4 倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析.........................................................................23
3.5 葉片材料的選擇.............................................................................................26
3.6 葉片的網(wǎng)格模型.............................................................................................27
4 總結(jié).......................................................................................................................34
參考文獻(xiàn).......................................................................................................................35
致 謝.......................................................................................................................36
組裝的多相生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室示范:研究氧氣在活性污泥的轉(zhuǎn)化效率
摘要：一個(gè)凸顯經(jīng)濟(jì)因素的簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)裝配在真正重要的化學(xué)工程問(wèn)題。研究了多相反應(yīng)器是一種活性污泥反應(yīng)器。目的是提升學(xué)生對(duì)多相反應(yīng)器的理解,氧化廢水、固體細(xì)菌群體所蘊(yùn)含有機(jī)質(zhì)和氮基板,在這種類(lèi)型的反應(yīng)堆可轉(zhuǎn)換為人類(lèi)所需要的氧氣。氣體彌散的一個(gè)因素的重要性在操作性能和本,reactorIn覆蓋每個(gè)多相工作在這里,學(xué)生確定這一因素的影響,在裝配在考慮能源消耗(經(jīng)濟(jì)成本)的類(lèi)型取決于使用都和操作條件下曝氣器對(duì)于一個(gè)給定的曝氣器提出了一個(gè)理論模型,從而使得該解釋結(jié)果基于如下假設(shè),即氣體吸收和生物化學(xué)反應(yīng)的限制措施。適合做這試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)模型,并進(jìn)行了比較,得到了允許每個(gè)類(lèi)型的曝氣器的行為,同時(shí)也提供一個(gè)理解的過(guò)程。
簡(jiǎn)介：多相反應(yīng)器的類(lèi)型包括漿,滴流床、生物反應(yīng)器,在這些系統(tǒng)中,反應(yīng)氣體與液體或氣體的階段發(fā)生在一個(gè)固體催化劑表面或表面的細(xì)菌組被稱(chēng)為生物絮狀沉淀。多相反應(yīng)器在兩個(gè)或者更多的階段是很有必要的,可以進(jìn)行反應(yīng)。
活性污泥工藝(ASP)是一個(gè)典型的例子,對(duì)這類(lèi)系統(tǒng),它是最主要的生物過(guò)程發(fā)生在二次廢水處理方法。在這個(gè)過(guò)程中,微生物氧化有機(jī)碳氮(nonoxidized生化需氧量)和總氮)基體中包含Kjeldahl廢水和用能量獲得過(guò)程中形成新的微生物。同每一個(gè)多相反應(yīng)器,在ASP組件之間轉(zhuǎn)移(氧轉(zhuǎn)移)注入氣泡(空氣)和固相(生物flocs)是至關(guān)重要的一個(gè)因素。因此,這個(gè)參數(shù),極大地影響了工藝性能和運(yùn)行費(fèi)用[1],而且目前其最大化是一個(gè)研究領(lǐng)域的主要興趣。ASP是一個(gè)必須的過(guò)程中使用的多相反應(yīng)器的研究gas-component因?yàn)槭芸貤l件下(氧氣)的消耗速度是常數(shù)和數(shù)學(xué)程序,用于描述的過(guò)程中,能夠簡(jiǎn)化。如前所述,活性污泥可以使用氧氣氧化氮有機(jī)質(zhì)或nonoxidized,包括死的微生物。這個(gè)過(guò)程叫做“內(nèi)源呼吸。由于微生物濃度的污泥是非常高的,它可以被認(rèn)定在轉(zhuǎn)化率是不變的，這個(gè)事實(shí)意味著,當(dāng)沒(méi)有特殊的渠道，氧速率也不變。
氧氣供給反應(yīng)堆和散布到液體使用的曝氣設(shè)備。通常使用三種曝氣步驟:
1) 機(jī)械表面充氣器。這些系統(tǒng)使用葉片的表面,攪拌反應(yīng)器和分散空氣進(jìn)入液體階段、生產(chǎn)表層和次表層的湍流(圖1)。
2） 曝氣系統(tǒng)。這些增氧機(jī)使用注射系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮機(jī)的粗、細(xì)氣泡的形式(氧氣或空氣)在液體表面。這些多孔泡沫是獲得使用穿孔管及其他類(lèi)似的系統(tǒng)(圖2)。
3） 噴射充氣器。這些系統(tǒng)結(jié)合空氣擴(kuò)散與液體抽送。泵站系統(tǒng)使混合相(廢水生物flocs)+通過(guò)噴嘴總成。吸(或)空氣壓縮機(jī)介紹空氣進(jìn)入系統(tǒng)(圖3)。
實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)由一個(gè)多批曝氣生物反應(yīng)器的混合和不同的元素,這是一起使用的各種測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)的建立是顯示在圖4。
這個(gè)生物反應(yīng)器由一個(gè)圓柱形罐做成的40-cm HDPE(30-cm直徑及高度),這是充滿(mǎn)了活性污泥。這酒可以獲得(游離）從任何污水處理廠?？蛇M(jìn)行試驗(yàn)研究?jī)尚r(shí)左右的時(shí)間運(yùn)用一種活性污泥濃度(以總懸浮固體物)的距離接近3000毫克/升。的濃度污水處理廠活性污泥中典型的范圍很廣,從1000 ~ 5000毫克/升)的總懸浮固體物。因?yàn)檫@個(gè)原因,污泥用于組裝可能需要被稀釋(與廢水處理)或濃了沉淀及清除的澄清區(qū))終于到達(dá)預(yù)期的濃度。此外,flocs蘊(yùn)含活性污泥很快安頓,為了維護(hù)中微生物的懸架,同時(shí)減少大氣中的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)器表面,水下的離心泵泵頭0.6米,最大流量:400 L / h)作為一種攪拌器。
三種表面曝氣器檢驗(yàn)裝配
一個(gè)controlled-speed模擬曝氣器(300到3000股時(shí)每分鐘轉(zhuǎn)速)攪拌
(HEINDOLPH 2000年)。得到了該風(fēng)口增氧機(jī),是通過(guò)將一
漁業(yè)壓縮機(jī)(最大壓力:1.2米的水;最大流量:2.5 L /分鐘在標(biāo)準(zhǔn)條件下),一套管和
2-mm閥(直徑)和一些擴(kuò)壓器的石頭上。在模擬射流曝氣器使用液下泵連接到一根管子。
圖一 表面曝氣器的增氧原理
圖二 擴(kuò)壓曝氣器的增氧原理
兩個(gè)測(cè)量裝置是用來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。一個(gè)氧儀表用于測(cè)量溶解氧濃度(黃色),并包括一個(gè)爆炸YS52功率計(jì),這是一種電學(xué)為測(cè)量裝置能耗,詳細(xì)描述這個(gè)裝置,隨著總是提出了一種支持指令物質(zhì)作為一個(gè)微PowerPoint文件。
圖三 噴流曝氣器的增氧原理
圖四 葉片的實(shí)驗(yàn)裝置
理論依據(jù)
一般來(lái)說(shuō),反應(yīng)進(jìn)行多相流反應(yīng)器包括幾個(gè)步驟。例如,在泥漿反應(yīng)器在多相流動(dòng)反應(yīng)器(反應(yīng)物氣體發(fā)泡通過(guò)溶液含固體催化劑顆粒)的存在五個(gè)步驟[2]:
五個(gè)步驟[2]:
1。從氣體階段吸附進(jìn)入液體的泡沫表面。
2。液相擴(kuò)散的從泡面大部分的液體。
3。從散裝液體擴(kuò)散的外部表面固體催化劑。
4。內(nèi)部擴(kuò)散反應(yīng)物多孔催化劑。
5。在多孔催化劑內(nèi)部的反應(yīng)。
每一步都可能被認(rèn)為是反應(yīng)整體速率一個(gè)阻力的的速度,所以,每一步都應(yīng)該被人知道的為了模型反應(yīng)器。多相反應(yīng)器一個(gè)數(shù)學(xué)模型通常都相當(dāng)復(fù)雜,因此要制造一個(gè)困難的一種實(shí)用的多相反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室。所示的介紹中,一種很好的選擇用于學(xué)術(shù)用途是考慮多相生物反應(yīng)器。這些系統(tǒng)還相當(dāng)類(lèi)似,除了漿反應(yīng)器固體顆粒是由微生物而不是固體催化劑顆粒。在多相生物反應(yīng),可能很危險(xiǎn)認(rèn)為,在外部物質(zhì)的傳輸?shù)难?和對(duì)固體表面工件不重要,因?yàn)閒locs(微生物)的濃度非常高。
此外,內(nèi)部物質(zhì)的傳輸效果是可以忽略不計(jì)的，因?yàn)榉磻?yīng)主要在液體表面。
根據(jù)Henze孫俐。[3]、控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)活性污泥工藝是氧氣吸收進(jìn)入的速度液相色譜與生化反應(yīng)速率。為了氧氣吸收的過(guò)程模型率(資產(chǎn)),(t)
證明用于表達(dá):
表一:實(shí)驗(yàn)進(jìn)度
實(shí)驗(yàn)型曝氣器的操作條件
1 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:1300每分鐘轉(zhuǎn)速
2 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:800每分鐘轉(zhuǎn)速
3 曝氣增氧機(jī)粗氣泡。最大空氣流動(dòng)速度
4 曝氣增氧機(jī)細(xì)氣泡。最大空氣流動(dòng)速度
在這個(gè)方程式中,傳遞系數(shù)質(zhì)量和價(jià)值取決于類(lèi)型的曝氣器和上了過(guò)程操作條件下,濃度在實(shí)驗(yàn)的條件是氧飽和度(這個(gè)因素取決于進(jìn)行濃度的污泥,介質(zhì)的鹽度、溫度、壓力等)。在這個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值是假定常數(shù)。這生化反應(yīng)速率可以獲得(eq 2)加快耗氧速率由于微生物(內(nèi)源性衰變過(guò)程)基板的氧化率
考慮到這一事實(shí),正如前文所述,兩者都做外部和內(nèi)部質(zhì)是可以忽略不計(jì),整體
對(duì)一批質(zhì)量平衡混合生物反應(yīng)器可發(fā)展為3中顯示的情商。
在這樣的情形不是更多外部基質(zhì)這個(gè)詞可以假設(shè)為零。此外,由于內(nèi)源性衰變率也可以假定固定的時(shí)間區(qū)間應(yīng)用(3至4小時(shí)),它可以假定數(shù)值的是不變的。因此,eq 3即可簡(jiǎn)化的eq 4。
該方程用于描述動(dòng)態(tài)的變化研究了溶氧濃度的時(shí)候肖蘭的性能。當(dāng)整個(gè)曝氣器是不工作,氧氣吸收速率接近于零,因?yàn)槭菑拇髿庵凶钚×渴峭ㄟ^(guò)混合系統(tǒng),其效果是考慮的術(shù)語(yǔ)
這術(shù)語(yǔ)
將氧傳質(zhì)。一個(gè)用一個(gè)類(lèi)似的意義參數(shù)(盡管學(xué)生更容易理解)是標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力(SOC),其定義是由eq6。
這個(gè)參數(shù),給出了最大氧轉(zhuǎn)移率(gO2 / s)為給定類(lèi)型的曝氣器和操作條件。系統(tǒng)的效率是由一種曝氣器eq 7,在W是電源消耗(在瓦)。
操作規(guī)程
第一部分。測(cè)定微生物的呼吸率。
把油箱灌滿(mǎn)與活性污泥(這很容易獲得任何城市污水廠)。打開(kāi)壓縮機(jī)和保持直到氧曝氣飽和度是取得了(7到8毫克/升)。關(guān)掉壓縮機(jī)混合使用和維護(hù)的液泵。氧氣濃度會(huì)降低到零。(在進(jìn)行測(cè)量時(shí)間間隔1分鐘)的溶解氧的隨時(shí)間變化,直到要么是濃度為1至2毫克/升)達(dá)到或者最大實(shí)驗(yàn)時(shí)間已被用完,但10分鐘。這些數(shù)據(jù)將后來(lái)的研究中使用該系統(tǒng)。
第二部分。測(cè)定不同充氣機(jī)的效率。
在這一階段的效率,不同充氣機(jī)在不同的條件下,進(jìn)行了研究。關(guān)掉任何曝氣混合系統(tǒng)和維護(hù)使用液下泵。允許系統(tǒng)達(dá)到氧濃度約為6毫克/升。開(kāi)關(guān)充氣機(jī)(之一的操作條件其中顯示于表格1)和測(cè)量氧氣在濃度隨時(shí)間變化的時(shí)間間隔(5秒),直到穩(wěn)態(tài)條件表達(dá)式。測(cè)量功率的消耗。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該被保存以供將來(lái)使用。重復(fù)這個(gè)過(guò)程為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)。我們建議實(shí)驗(yàn)時(shí)間表表1規(guī)定的數(shù)值被執(zhí)行。
注意安全！活性污泥法可以包含一些病原微生物;因此,我們建議使用乳液或其他塑料手套,避免衛(wèi)生問(wèn)題。污泥用于會(huì)眾可以被處理的實(shí)驗(yàn)室中沉沒(méi)。這些按照建議預(yù)防措施提出了建議以水環(huán)境聯(lián)合會(huì)杯[4],一個(gè)著名的作家,作品在國(guó)內(nèi)外廢水處理領(lǐng)域的權(quán)威。不過(guò),我們已經(jīng)用了四年與這個(gè)大會(huì)超過(guò)100名學(xué)生,并且在這段經(jīng)歷,我們也沒(méi)有有經(jīng)驗(yàn)的任何問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)計(jì)算
效率確定每種類(lèi)型的曝氣器和操作條件的影響。計(jì)算是使用微軟Excel軟件進(jìn)行試算表(如果在7.0支撐材料)。詳細(xì)描述的使用這個(gè)電子表格的試驗(yàn)計(jì)算也是提供的證明材料(微軟PowerPoint文件)
在本質(zhì)上,計(jì)算過(guò)程包括評(píng)估參數(shù)的質(zhì)量平衡(微分eqs 4及5)擬合實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的裝配這些方程式。利用微分方程進(jìn)行了求解歐拉一階連續(xù)屬性離散化方法(見(jiàn)附件),
表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)(立即給予例子)。第1部分:測(cè)定微生物的呼吸率
表3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)(立即給予例子)。第二部分:測(cè)定的Aerator1效率
圖5。模擬實(shí)驗(yàn)與溶解氧數(shù)學(xué)擬合濃度之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2。猜測(cè)值的rend-dec用于仿真是?0.001毫克/升s。
該算法是很容易實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作表。一個(gè)最小二乘回歸方法是用于調(diào)整價(jià)值參數(shù)。在該方法中,誤差的平方之和(社經(jīng)地位,)功能(eq 8),仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較價(jià)值觀的溶解氧濃度、最小量是通過(guò)改變參數(shù)/ s調(diào)整一下。
作為一個(gè)例子,表2和3顯示一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室獲得一個(gè)先前的實(shí)驗(yàn)。
圖6。實(shí)驗(yàn)與modeleled溶解氧concentration.數(shù)學(xué)擬合后。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2。計(jì)算值rend-dec 0.000714毫克/升)是?s。
在從數(shù)據(jù)中可以計(jì)算出在表2(哪個(gè)對(duì)應(yīng)于第1部分的操作程序)和均衡5。在要實(shí)現(xiàn)這一計(jì)算,學(xué)生必須設(shè)一個(gè)初始任意值（一個(gè)值接近0.001
是)使用了優(yōu)化算法來(lái)確定的正確的價(jià)值(后?計(jì)算的值0.000714毫克/升)得到?s)。5和6顯示數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化,兩者之前之后,也就是由社經(jīng)地位的最小化。它可以被觀察到模型是非常敏感的,因?yàn)榇筮@個(gè)參數(shù)當(dāng)使用差異可以觀察到一個(gè)錯(cuò)誤的值的
此外可以看出,正確的使用價(jià)值導(dǎo)致兩組數(shù)據(jù)匹配偉大的搜索性能,提出了一種情況,表明了適用性假設(shè)所用的模型中所描述的理論基礎(chǔ)部分。
為了確定的值和為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)來(lái)自于表3(對(duì)應(yīng)于那些在第二部分獲得的操作程序)、eq4,獲得的價(jià)值學(xué)生必須使用這必須值和系統(tǒng)的曝氣器
(價(jià)值觀的0.01 s1和8毫克/升)是代表兩個(gè)),使用的參數(shù),分別優(yōu)化求解算法確定正確的價(jià)值觀(后這兩個(gè)參數(shù)應(yīng)用該算法,0.0144 s值1和?6.85毫克/升)獲得隨訪,
和分別)。數(shù)字第7和第8代表將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間,兩者分別之前和之后的()
應(yīng)用的優(yōu)化步驟。它可以被觀察到模型是非常敏感的參數(shù)值,所述以上時(shí),使用正確的價(jià)值取向?qū)γ總€(gè)參數(shù)提供了一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)匹配。再一次地,這個(gè)論證了該模型的適用性假設(shè)中所討論的理論基礎(chǔ)部分。
圖7 .模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合溶氧concentration.之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。猜測(cè)用于仿真是0.01毫克/升)的s。猜測(cè)用于仿真:8毫克/升
圖8 模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合后的溶解氧濃度。計(jì)算的值是0.0144 mg/L s. ，計(jì)算的值是6.85 mg/L.
各種類(lèi)型增氧機(jī)
圖9 .曝氣器的效率在不同的系統(tǒng)使用的實(shí)驗(yàn)裝置。
一旦形參的值,計(jì)算了該增氧機(jī)、價(jià)值SOC和運(yùn)用eqs可以計(jì)算出第6和第7條。
本程序?yàn)槊總€(gè)曝氣器必須重復(fù)直到數(shù)學(xué)處理的數(shù)據(jù)是完整的獲得的價(jià)值必須相似為所有的實(shí)驗(yàn)都不管增氧機(jī)使用的類(lèi)型。圖9所示為例,所得結(jié)果對(duì)不同曝氣器系統(tǒng)用于我們的實(shí)驗(yàn)裝置。
結(jié)論
在這里我們描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置,研究了天然氣的色散對(duì)影響生物反應(yīng)器的性能,已被多相聚集在我們的機(jī)構(gòu)。學(xué)生的理解來(lái)解釋多相反應(yīng)器,以前的課堂教學(xué)中,增加是因?yàn)檫@些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的目標(biāo)是評(píng)價(jià)哪一個(gè)是最有效的在中控室內(nèi)把氧氣運(yùn)送到系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),學(xué)生必須監(jiān)督溶解氧隨時(shí)間,合適的結(jié)果數(shù)據(jù)到一個(gè)報(bào)道的數(shù)學(xué)模型。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)將允許的確定價(jià)值的效率(定義為標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力每瓦特的功率消耗)的每一曝氣器系統(tǒng)。
術(shù)語(yǔ)
溶解氧濃度在時(shí)間t。
氧飽和濃度
質(zhì)量傳遞系數(shù)
氧氣吸收速度
凈生化反應(yīng)速率
由于微生物耗氧速率的死亡
由于耗氧速率的氧化作用的基體上。
總和平方誤差。
氧化能力標(biāo)準(zhǔn)
V 反應(yīng)器容量
W 能量功耗
曝氣器系統(tǒng)的效率
附錄
eqs進(jìn)行了分析計(jì)算的目的,3號(hào)和4號(hào)必須由歐拉方程離散一階的方法。因此,鑑別術(shù)語(yǔ)轉(zhuǎn)化如下
3號(hào)和4號(hào),以便eqs被轉(zhuǎn)換成eqs 10號(hào)機(jī)和11號(hào)機(jī)
該遞歸方程可以很容易地輸入一個(gè)表格(見(jiàn)支持材料);因此,學(xué)生可以解決的的微分方程,采用這種方法。為了盡量減少數(shù)學(xué)錯(cuò)誤,整合步驟(Δt)必須非常小。我們通常推薦值設(shè)為1,s。使用此值的誤差很小給代表的成果,為系統(tǒng)行為。
1. Rodrigo, M. A.; Seco, A.; Ferrer, J.; Penya-Roja, J. M.; Valverde, J. L. Nonlinear Control of an Activated Sludge Aeration Process: Use of Fuzzy Techniques for Tuning PID Controllers. ISA Transactions, 1999, 38, 231?241
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4. Water Environmental Federation. Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 11, Fifth edition; Alexandria, VA, 1996
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
倒傘形曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
1.利用ANSYS軟件對(duì)倒傘形曝氣機(jī)進(jìn)行有限元分析；
2.利用有限元分析的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開(kāi)題報(bào)告 第1周-第2周
2．運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 第3周-第4周
3.用UG/Solidworks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模和設(shè)計(jì) 第5周-第6周
4. 有限元分析（ANSYS） 第7周-第9周
5．曝氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(xiě) 第14周-第16周
8 .答辯準(zhǔn)備及論文答辯 第17周-第17周
Ⅳ 、主 要參考資料：
【1】楊明忠,朱家誠(chéng)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].武漢,武漢理工大學(xué)出版社,2001.10
【2】邵立新,夏素民,孫江宏等主編.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版[M].清華大學(xué)出版社,2007.6
【3】天津大學(xué)工業(yè)機(jī)械手編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,1980年
【4】3000億污水處理投資 新浪網(wǎng)
【5】邢普等非等角對(duì)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) 2008.2
【6】倒傘型表面曝氣機(jī)JB/T 10670-2006 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
【7】錢(qián)易 清潔生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展 節(jié)能與環(huán)保 2002年 第07期
【8】Kasco. Marine Aerators Wastewater Treatment Aeration Systems Aeration Equipment， Circulators, 2007.3
Water Circulators, 2007.3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題目 倒傘型曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 078105135
學(xué)生姓名 周夢(mèng)遠(yuǎn)
指導(dǎo)教師 邢普
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
說(shuō) 明
開(kāi)題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫(xiě)內(nèi)容各專(zhuān)業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專(zhuān)業(yè)填寫(xiě)的內(nèi)容應(yīng)保持一致
一、課題依據(jù)及課題的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和
自動(dòng)化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)其工作性能的要求也越來(lái)越高。這一
切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確地預(yù)測(cè)出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，因而需要對(duì)
結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。
例如分析計(jì)算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會(huì)發(fā)生破壞
性事故；分析計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場(chǎng)，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機(jī)
葉片內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。以上所有的這些都可歸結(jié)為求解物
理問(wèn)題的控制偏微分方程式，但在實(shí)際中這基本上是不可能的。采用傳統(tǒng)的力學(xué)方
法只能近似地反映其受力狀況以及變形情況，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析的需
要。近年來(lái)在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來(lái)的有限元分析(FEA，
Finite Element Analysis)方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題提供了有效的
途徑，是研究其可靠性、尋求最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的主要手段。從“有限元”這個(gè)名
詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)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(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的偏移與其他應(yīng)力
影響的過(guò)程，由于有限元法的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是可以求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都任
意變化的力學(xué)問(wèn)題。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離
散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分
析，得出滿(mǎn)足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)
際工程中需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和
計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，
已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車(chē)到航天飛機(jī)幾乎所
有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、
汽車(chē)、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等
各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，幫助用戶(hù)解決了成千上萬(wàn)個(gè)工
程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。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(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、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(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD 工具之一。
當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元
網(wǎng)格劃分并進(jìn)行有限元分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則重新在CAD
軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿(mǎn)意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平以及效掣4J。
為了滿(mǎn)足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問(wèn)題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開(kāi)
發(fā)了和著名的CAD軟件(例如Pro／ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、
SoildWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)相應(yīng)的接口。有些CAE軟件為了實(shí)
現(xiàn)和CAD軟件的無(wú)縫集成而采用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了
基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)。能和以Parasolid為核心的CAD軟件(如
Unigraphics、SolidEdgv、SolidWorks、Pro／I／)實(shí)現(xiàn)真正無(wú)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(shí)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(shè)計(jì)中的高級(jí)
CAD工具之一。
通過(guò)與CAD軟件的無(wú)縫連接及集成使用，即在用CAD軟件完成零件和部件的
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，以有限元分析軟件為平臺(tái)，通過(guò)建立產(chǎn)品的有限元分析模型，進(jìn)行有
關(guān)的分析計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)階段較精確的預(yù)
測(cè)出產(chǎn)品的各項(xiàng)工程技術(shù)性能指標(biāo)，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則重新進(jìn)行
設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，直到滿(mǎn)意為止。從而提高設(shè)計(jì)水平和效率，降低產(chǎn)品的成本。
就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。
通過(guò)CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場(chǎng)產(chǎn)品的多樣性、復(fù)
雜性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng)，增加了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。計(jì)算機(jī)數(shù)值模
擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段，在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)普遍應(yīng)用。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）
我國(guó)在"九五"計(jì)劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機(jī)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(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；
縮短設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本；
在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；
模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；
進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。
在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自行車(chē)到航天飛機(jī)，所有的設(shè)計(jì)制造都離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計(jì)和分析中將得到越來(lái)越廣泛的重視。下圖是美國(guó)舊金山海灣大橋地震響應(yīng)計(jì)算的有限元分析模型。
發(fā)展方向及重大進(jìn)展
國(guó)際上早20世紀(jì)在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）在1965年委托美國(guó)計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開(kāi)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(gè)版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的有限元分析系統(tǒng)。從那時(shí)到現(xiàn)在，世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專(zhuān)用或通用有限元分析軟件，主要有德國(guó)的ASKA、英國(guó)的PAFEC、法國(guó)的SYSTUS、美國(guó)的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。當(dāng)今國(guó)際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)特征：
1 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題
有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來(lái)，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)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(duì)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(lái)有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。例如當(dāng)氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的流動(dòng)……這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂"流固耦合"的問(wèn)題。
2 由求解線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問(wèn)題；航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問(wèn)題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問(wèn)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(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開(kāi)發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專(zhuān)長(zhǎng)于求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫(kù)。
3 增強(qiáng)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(diǎn)在于推導(dǎo)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(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問(wèn)題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個(gè)包含10萬(wàn)個(gè)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(lái)建立這個(gè)模型，然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時(shí)間?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問(wèn)題時(shí)有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)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(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強(qiáng)調(diào)"可視化"的今天，很多程序都建立了對(duì)用戶(hù)非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶(hù)能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)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(wú)縫集成
當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)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(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿(mǎn)意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)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(gè)在以前無(wú)法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問(wèn)題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開(kāi)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(tái)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(jì)算機(jī)（主要是Mainframe）上開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的，后來(lái)又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺(tái)，它們的共同特點(diǎn)都是采用UNIX操作系統(tǒng)。PC機(jī)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復(fù)雜工程分析的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。但是早期的PC機(jī)采用16位CPU和DOS操作系統(tǒng)，內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制，因此當(dāng)時(shí)計(jì)算模型的規(guī)模不能超過(guò)1萬(wàn)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(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺(tái)。因此當(dāng)前國(guó)際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Wintel平臺(tái)上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC機(jī)的Windows NT環(huán)境和SGI工作站上同時(shí)計(jì)算4個(gè)工程實(shí)例所需要的求解時(shí)間。從中可以看出最新高檔PC機(jī)的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。
為了將在大中型計(jì)算機(jī)和EWS上開(kāi)發(fā)的有限元程序移值到PE機(jī)上，常常需要采用Hummingbird公司的一個(gè)仿真軟件Exceed。這樣做的結(jié)果比較麻煩，而且不能充分利用PC機(jī)的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如IDEAS、ADINA和R&D開(kāi)始在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)有限元程序，稱(chēng)作"Native Windows"版本，同時(shí)還有在PC機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開(kāi)發(fā)的有限元程序包。
國(guó)內(nèi)發(fā)展情況和前景
1979年美國(guó)的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國(guó)內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來(lái)分析計(jì)算工程問(wèn)題的高潮。這個(gè)高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，一時(shí)間許多一直無(wú)法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的重要工具。但是當(dāng)時(shí)限于國(guó)內(nèi)大中型計(jì)算機(jī)很少，大約只有杭州汽輪機(jī)廠的Siemens7738和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠的IBM4310安裝有上述程序，所以用戶(hù)算題非常不方便，而且費(fèi)用昂貴。
PC機(jī)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(yùn)行平臺(tái)?？梢哉f(shuō)國(guó)內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺(tái)做文章。在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)比較成功并擁有較多用戶(hù)（100家以上）的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國(guó)農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4. 0等。
但正如上面所述，國(guó)外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對(duì)PC平臺(tái)不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)FEA程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢(shì)，而應(yīng)該從下面幾方面加以努力：
1 研究開(kāi)發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的FEA程序
經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)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(wèn)題是流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問(wèn)題。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有類(lèi)似功能的商品化軟件，所以國(guó)外的軟件就賣(mài)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(quán)、用于分析流體等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的軟件。因?yàn)榱黧w力學(xué)問(wèn)題遠(yuǎn)比固體復(fù)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(fèi)。這就必須有國(guó)家和大型企業(yè)集團(tuán)來(lái)支持。
2 開(kāi)發(fā)具有中國(guó)特色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI
開(kāi)發(fā)建模技術(shù)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(hù)接受程度，從而起到事半功倍的效果。國(guó)內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時(shí)PC機(jī)上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開(kāi)發(fā)的效果都不甚理想。
Windows中提供了OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，為在PC機(jī)上應(yīng)用可視化圖形技術(shù)開(kāi)發(fā)GUI提供了強(qiáng)有力的工具。OpenGL是當(dāng)今國(guó)際上公認(rèn)的高性能圖形和交互式視景處理標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的三維圖形軟件深受專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的鐘愛(ài)，目前世界上占主導(dǎo)地位的計(jì)算機(jī)公司都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，近年來(lái)國(guó)外有的FEA程序已拋開(kāi)仿真軟件，直接在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)有限元程序。杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的Visual C++等編程工具，在PC機(jī)上成功地開(kāi)發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀地通過(guò)對(duì)"菜單"、"窗口"、"對(duì)話框"和"圖標(biāo)"等可視圖形畫(huà)面和符號(hào)的操作，自動(dòng)建立有限元分析模型，并以交互方法式實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)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(hù)學(xué)習(xí)和掌握。
3 與具有我國(guó)自主版權(quán)的CAD軟件集成
前面已經(jīng)講過(guò)，當(dāng)今有限元方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是和CAD軟件的無(wú)縫集成。作為我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的FEA程序，首先要考慮和我國(guó)自主版權(quán)的CAD軟件集成。因?yàn)橛邢拊治鲋饕糜谛螤畋容^復(fù)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(shè)計(jì)和分析緊密結(jié)合、融為一體。目前國(guó)內(nèi)二維設(shè)計(jì)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(xué)大天電子信息系統(tǒng)工程公司的GS-MCADII。該軟件已在機(jī)械、航天、輕工等行業(yè)和科研單位得到了廣泛的應(yīng)用，列為國(guó)家"863"高技術(shù)CIMS主題主推產(chǎn)品，并獲得全國(guó)第二屆自主版權(quán)CAD軟件評(píng)測(cè)最高獎(jiǎng)。目前我們正努力實(shí)現(xiàn)自己的FEA軟件和GS-MCADII的無(wú)縫集成，爭(zhēng)取打破國(guó)外CAD集成軟件系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面。
三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法：
用ANSYS對(duì)倒傘型曝氣機(jī)的葉片進(jìn)行有限元建模分析，引用其結(jié)果對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（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(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析。（4）對(duì)其結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容：
1、 有限元軟件ANSYS的概念
2、 ANSYS軟件主要特點(diǎn)
3、 曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能及工作原理詳細(xì)分析
4、ANSYS曝氣機(jī)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
4、 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度:
1、查找資料，外文資料翻譯（不少于6000字符），開(kāi)題報(bào)告 第1周-第2周
2、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 第3周-第4周
3、用UG/Solidworks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模和設(shè)計(jì) 第5周-第6周
4、有限元分析（ANSYS） 第7周-第9周
5、曝氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(xiě) 第14周-第16周
8、答辯準(zhǔn)備及論文答辯 第17周-第17周
五、參考文獻(xiàn)
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2 濮良貴 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2007
3 倒傘型表面曝氣機(jī) JB/T10670-2006
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