Chapter01 工程分析
第章--工程分析
第章--工程分析————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:工程分析项目产品方案及规模情况一览表单位:t/a序号产品方案生产规模(t/a)序号产品方案生产规模(t/a)1 硝基苯30000 6 酸性粒子元青10002 直接耐晒翠兰GL 300 73 碱性玫瑰精B 1000 84 间硝基苯磺酸钠1000 95 苯胺黑1000一、硝基苯工程分析一、工艺流程主要工艺原理:C6H6+HNO3 C6H5NO2+H2O1、硝化主反应方程式:HNO3H2ONO2副反应方程式:NO 2HNO 3NO 2NO 2H 2O1HONO 2OHNO 2NO 2HNO 22OHHNO 3OHH 2OHC HC CH SCHHNO 3HC C C SCHNO 2NO 23酸性苯(无酸性苯时加入纯苯)从酸性苯罐用酸性苯泵经漩涡流量计计量后、废酸从废酸高位槽经电磁流量计计量后同时连续进入苯混合器预混合后,进入1#硝化锅,混酸从混酸罐用混酸输送泵经电磁流量计计量后进入1#硝化锅。
酸性苯和混酸在1#硝化锅中进行反应,反应物料由溢流管进入2#硝化锅,然后进入3#硝化锅,再进入4#硝化锅连续反应。
四台硝化锅的反应热用冷却水及废酸带走。
2、硝化分离、中和、水洗4#硝化锅的反应物料由溢流管沿切线方向进入硝化分离器进行分离,分离后酸性硝基苯流向中和锅,酸性硝基苯中含有酸(主要是硝酸)和副反应生成的硝基酚,用氢氧化钠中和酸性硝基苯中的酸,并使不溶于水的硝基酚变为溶于水的硝基酚钠,以达到中和、脱酚的目的。
反应方程式如下:HNO 3 + NaOH NaNO 3 + H 2OOHNO 2NaOHONaNO 2H 2O中和脱酚后的粗品硝基苯由粗品硝基苯泵送澄清罐澄清,用水洗去中和后产生的少量余碱、硝基酚钠及硝酸钠,分离流出的废水流入废水储罐,下层粗品硝基苯溢流入澄清槽;硝化分离后的废酸一部分经冷却器冷却后,流入硝化分离缓冲罐由废酸泵送往废酸高位槽进行萃取,另一部分再返回硝化工序继续参加硝化反应;硝化锅和硝化分离器产生的含NO、NO2、SO2的废气(G2)集中收集到硝化废气吸收器用废酸吸收再利用,不外排。
工程项目管理学(第二版)第01章 工程项目管理概论
第1章 工程项目管理概论
1.1工程项目 1.2工程项目周期 1.3工程项目系统分析 1.4工程项目管理 1.5本章结语
1.1 工程项目 1.1.1 项目
1.项目的概念 所谓项目,是指在一定约束条件下,具有特定目标
的一次性任务。
2.项目的特征 项目的单件性(又称任务的一次性) 项目的目标性 项目的系统性
单项工程的施工条件往往具有相对的独立性。
2.单位工程
单位工程是单项工程的组成部分。一般情况下,单位 工程是指一个单体的建筑物或构筑物;
建筑物单位工程由建筑工程和建筑设备工程组成;
住宅小区或工业厂区的室外工程,按照工程施工质量 统一验收标准的划分,一般分为包括道路、围墙、零 星建筑在内的室外建筑单位工程,电缆、线路、路灯 等的室外电气单位工程,以及给水、排水、供热、煤 气等的建筑采暖卫生与煤气工程组成的单位工程。
1. 建立项目管理组织 2. 费用控制 3. 进度控制 4. 质量控制 5.环境及安全控制 6. 合同管理 7. 信息管理
1.4.6 工程项目管理现代化
工程项目管理现代化,就是适应现代社会要求,依 照项目内在的客观规律,运用现代科学管理手段和方 法,对工程项目实行有效的管理。
包含以下六个方面的内容: 1)管理思想现代化。 2)管理组织高效化。 3)管理方法科学化。 4)管理技术电子化。 5)管理人员专业化。 6)管理方式民主化。
4.分项工程
分项工程一般是按工种划分的,也是形成项目产品的 基本部件或构件的施工过程,例如,模板,钢筋,混 凝土,砖砌体。
另外按照工程的性质和作用,工业建设项目还可分为 主要生产系统、附属、辅助生产系统以及行政办公与 生活福利设施系统等。
1.3.2工程项目的目标系统
建设项目工程分析
建设项目工程分析一、施工期工艺流程工程施工内容大体包括拆除工程、场地平整、构筑物的建设、装修及设备安装,施工期工艺流程及产污环节见图2。
拆除工程包括拆除旧建筑及设备设施(液化气罐及配套工艺管路系统),液化气储罐及配套工艺管路系统拆除流程详见图3。
图2 项目施工期工艺流程及产污环节图拆除工程作业方案:液化气管道拆除将罐内的液化气全部用净,通入氮气液化气管道检测打开放空阀门,人孔盖氮气吹扫液化气管路向罐内注水浸泡48小时将储罐吊离至指定位置罐内注水图3 液化气储罐及配套工艺管路拆除流程图4 本项目运营期生产工艺流程及产污节点2、主要生产工艺说明液化气罐装工艺全过程由卸车、灌装、倒灌、残液回收四部分组成。
(1)卸车LPG通过槽车由站外运到站内卸车点,用卸车软管将槽车和卸车台上的气、液两相管道分别连接,利用压缩机抽取储罐内气态LPG并压入槽车的气相空间,使槽车和储罐之间形成卸车所需要的压差,将槽车内的液态LPG卸入储罐内。
项目卸车工艺见图5。
图5 项目卸车工艺流程图(2)灌装灌瓶时通过压缩机、灌装泵或压缩机与灌装泵联合作业将LPG从地下储罐送至灌瓶间。
灌瓶采用手工灌瓶。
灌装后的实瓶经检斤秤检斤后,运至实瓶库或直接装车。
灌瓶工艺见图6。
图6 项目灌装工艺流程图(3)倒罐当储罐需要检修时,利用压缩机抽取正常储罐内气态LPG并压入需要检修储罐的气相空间,使正常储罐和需要检修储罐之间形成一定的压差,将液态LPG倒入正常储罐中。
详见图7。
图7 项目倒罐工艺流程图(4)残液回收LPG钢瓶内的残液必须在站内统一处理。
回收钢瓶内残液使用专用的残液倒空设备(残液倒空架),将残液倒至残液罐中。
钢瓶残液倒空采用正压抽残方式:压缩机将储罐气体抽出后向钢瓶加压,当压力高于残液罐0.1~0.2 MPa 后,切换倒空管路的阀门,翻转倒残架将瓶内残液送至残液罐中,为加快倒残速度,还可以用压缩机抽取残液罐气体,降低残液罐压力。
残液用压缩机装槽车外运,用卸车软管将槽车和卸车台上的气、液两相管道分别连接,利用压缩机抽取槽车内气态LPG并压入残液罐的气相空间,使储罐和槽车之间形成装车所需要的压差,将残液罐内的残液装入槽车。
第一章绪论分析
第一章绪论分析
某住宅平面尺寸
1.3 建筑分类与分级 1.分类:按用途、层数、规模、主要承重材料分类。 2.分级:按建筑物的耐久年限(分四级); 按建筑物的耐火等级(分四级)见书P.15。
二、技术设计阶段(建筑、结构、设备设计)
第一章绪论分析
三、施工图设计阶段
1.建筑总平面:位置、标高、道路、绿化等。比例尺1∶500—1∶2000。
2.平面:房间的主要尺寸、面积、以及门窗位置,部分家具及设备的布置。
比例尺一般为1∶100—1∶200 。
3.剖面:建筑总高、楼层高度、楼梯形式,
比例尺一般为1∶100—1∶200 。
4.立面:立面形式、窗户尺寸和位置、入口形式。
比例尺一般为1∶100—1∶200 。
5.构造节点图、大样图:主要为檐口、墙身和各构件的连接点,楼梯、门窗
以及各部分的装饰大样等。比例尺一般为1∶1、1∶5、1∶10、1∶20等。
6.各工种相应配套的施工图。
7.建筑、结构及设备等的说明书。
8.结构及设备的计算书。
房屋建筑学
第一章绪论分析
关于课程的几点说明:
☆课程性质:-----专业基础课程 课程内容:研究(工业与民用建筑的)建筑设计与构造设计 建筑设计——建筑空间设计,即研究建筑的平面、剖面、立面及体形设计。 构造设计——研究建筑构件(基础、墙体、门窗、楼梯等)构造原理与方法。
☆学习目的:今后所从事的工作要求看懂图纸,理解建筑设计师的意图,与 方方面面进行沟通、协调,搞好工作。
3M(300mm)、6M(600mm)、12M(1200mm)、30M (3000mm)、60M(6000mm)等等。 ■分模数:用于建筑构件缝隙、构造节点、构配件截面等尺寸。 1/2 M(50mm)、1/5 M(20mm)、1/10 M(10mm)、 1/20M(5mm)、1/50 M(2mm)、1/100 M(1mm)等等。
Chapter01_机电系统建模辨识与控制
1.2.2 主要内容
1. 概述 2. 机电系统的建模 2.1 机电系统的数学模型 2.2 直流伺服系统的建模 2.3 交流电机矢量控制建模 2.4 高性能运动控制系统建模 2.5 数控切削过程建模与分析 3. 机电系统辨识方法及其应用
3.1 常用辨识方法概述 3.2 最小二乘辨识方法 3.3 Kalman滤波辨识方法 3.4 其它辨识方法
2) 辨识的方法 时域辨识法(单位脉冲响应辨识、单位阶跃响应辨识) 频域辨识法 一阶、二阶系统的阶跃响应
频域辨识法 典型环节分解法
频率特性曲线拟 合法
1.1.4 控制
1)控制理论与方法 传统控制:PID、SMITH、DE-COUPLE 现代控制:AC、变结构、ROBUST 智能控制:FUZZY、EXPERT、NN
,运用一些已知的定律、定理和原理(如牛顿定律、基尔霍夫定律、热力 学定律、能量平衡方程等),用数学方法推导出数学模型,也称为理论建 模法。
分析建模过程
* * * * 确定模型的结构 详尽分析及了解系统的物理本质,列写方程 简化方程 模型检验
辨识建模法——对一个已经存在的系统,根据观察、测 量、并记录得到的输入、输出实验数据提供的信息建立系 统的数学模型,也称为试验建模法。 辨识建模步骤
4. 新型控制理论及系统 4.1 自适应控制 4.2 预测控制 4.3 鲁棒控制 4.4 其他新型控制算法简介
References
1. 2. 3.
4.
5. 6.
Katsuhiko Ogata著. 系统动力学,北京:机械工业出版社,2005 温森熙. 机械系统建模与动态分析,北京:科学出版社,2004 Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems(现代控制系统),北京:高等教育出版社,2001 Karl J. Astrom, Bjorn Wittenmark. 计算机控制系统——原理与 设计,北京:电子工业出版社,2001 George Ellis. 控制系统设计指南,北京:电子工业出版社,2006 刘强、李忠群. 数控铣削加工过程仿真与优化,北京:航空工业 出版社,2011
工程分析ppt课件
D. Q2+Q3+Q4=Q5+Q6+Q8 精品课件
19
某地拟建一电镀工业基地,该基地的生产用水总水 量为60000t/d,其中60%为回用水,项目生活用水总 量为4800t/d,生活污水处理后一部分用于绿化,绿 化用水543t/d,(该基地自建生产废水处理站和生 活污水处理站)。请画出本项目的用水平衡图(假 设生产用水和生活用水的产污系数为0.9)
11
A.废水产生环节及源强核算
• 某废水处理站采用二级处理工艺,进水量 为10000m3/d,COD浓度为1500mg/L;一级 COD去除率为80%,二级COD去除率为70%。 则该处理站外排COD是( )t/d。
精品课件
12
B.废气产生环节及源强核算
某除尘系统,已知每小时进入除尘系统的 烟气量为12000m3,含尘浓度为2200mg/m3, 每小时收下的粉尘量为22kg,若不考虑除 尘系统漏气影响,净化后的废气含尘浓度 为多少?
第一节 工程分析的内容
精品课件
1
工程分析的内容
• 污染影响型项目工程分析 • 生态影响型项目工程分析
精课件
2
① 工程一般特征简介 1工程概况 ② 物料与能源消耗定额
③ 项目组成
工 程
2工艺流程及 产污环节分析
① 污染物分布及污染物源强核算
分 析
3污染物分析
② ③
物料平衡与水平衡 无组织排放源强统计及分析
损耗 4800 生活用水
求:
(1)该电厂烟尘排放量是多少(kg/a)?
(2)该电厂烟尘去除量是多少(kg/a)?
(3)该电厂SO2排放量是多少(mg/s)? (4)SO2排放浓度是多少(mg/m3)?
多媒体技术Chapter01
教师
高级 中级
博、硕士生
16
4+5
6
150
33 电子科技大学计算机科学与工程学院——曹 跃
三、实验室现有基础
具有近十年的多媒体技术、计算机图形学和数字图 像处理、虚拟现实技术的研究基础
现有设备: SGI图形工作站4台、IBM图形工作站24台 DELL机15台、DELL服务器1台、方正服务器2台 头盔显示器2套 数据手套2套 三维扫描器1台 数字示波器1台 逻辑分析仪1台
2 电子科技大学计算机科学与工程学院——曹 跃
教师简介 —— 科研项目
参与的主要科研项目:
国家863计划目标导向类项目《支持数字媒体 内容创作的集成环境》(2006AA01Z335) 国家863计划重点项目《面向数字媒体的IP资 源挖掘和组织技术研究》(2006AA01Z335) 信息产业部电子发展基金招标项目《可复用网 络游戏开发工具库研发与产业化》(2006) 国家242信息安全专项计划项目《恶意代码与 安全漏洞动态分析平台》(2007B30) 国家科技基础条件平台建设项目《基于 Intranet的分布式网络安全审计技术及标准研 究》(2003DIA7J051) (im)possible & CV
真实地形三维重现
西安郊区南方镇某 陆军训练基地
网络游戏及其引擎
能够支 持2000 人/战区, 网络实 时传递 战场状 态信息
陆军指挥训练 系统
我们的 工作积累
虚拟战场技术
包括静态部署、 态势分析、指 挥协同等功能
37
剖切曲面的确定 剖切体三维显示 剖切体三维显示
我们的工作积累
38 电子科技大学计算机科学与工程学院——曹 跃
价值工程分析流程
价值工程分析流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成,希望大家下载以后,能够帮助大家解决实际的问题。
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工程力学:chapter01.静力学-受力分析
[例] 吊灯受力
14
公理5 刚化原理 变形体在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体变成
刚体(刚化为刚体),其平衡状态保持不变。
公理5告诉我们:处于平衡 状态的变形体,可用刚体静 力学的平衡理论;刚体的平 衡条件是变形体平衡的必要 条件,而非充分条件。
1. 物体的受力分析 2. 力系的等效替换(或简化) 3. 建立各种力系的平衡条件
7
8
目录
1.1 静力学公理 1.2 力矩 1.3 力偶 1.4 约束和约束反力 1.5 物体的受力分析与受力图
9
§1.1 静力学公理
公理:是人类经过长期实践和经验而得到的结论,它被反复的 实践所验证,是无须证明而为人们所公认的结论。
(必共面,在特殊情况下,力在无穷远
处汇交——平行力系。)
13
[证] ∵ F1 , F2 , F3为平衡力系, ∴ R , F3 也为平衡力系。
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线,
∴ 三力 F1 , F2 , F3 必汇交,且共面。
公理4 作用力和反作用力定律 作用力与反作用力总是同时存在。两力的大小相等、
5
3. 力的三要素:大小,方向,作用点。
4.力的单位:国际单位制:
A
牛顿(N),千牛顿(kN)
F
三、力系
力系是指作用在物体上的一群力。
平衡力系:物体在力系作用下处于平衡,我们称这个力系
为平衡力系。
四、平衡
平衡是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运
动的状态。
6
在静力学中,我们将研究以下三个问题:
②力偶的性质 ③三力平衡汇交定理
36
知识清单-J-01-01 污染型项目工程分析
说明1、此知识清单是以精讲课件为母版编制,目的是减少学员的打印量。
且可以将知识系统化。
2、知识清单中★为掌握要求的级别:★★★为必须掌握,且需准确记忆;★★为一般掌握;★为理解即可;无星为知道即可。
3、字体颜色表示记忆要求:红色楷体加粗加下划线是理解+准确记忆;红色宋体加粗加下划线为理解记忆;红色字体下划线为理解即可。
专题一污染型项目工程分析【总纲】4建设项目工程分析【★★★】【说明】总纲的说明是技术方法的指导原则,需要认真理解,将红色划线字体记准确。
4.1建设项目概况包括主体工程、辅助工程、公用工程、环保工程、储运工程以及依托工程等。
以污染影响为主的建设项目应明确项目组成、建设地点、原辅料、生产工艺、主要生产设备、产品(包括主产品和副产品)方案、平面布置、建设周期、总投资及环境保护投资等。
以生态影响为主的建设项目应明确项目组成、建设地点、占地规模、总平面及现场布置、施工方式、施工时序、建设周期和运行方式、总投资及环境保护投资等。
改扩建及异地搬迁建设项目还应包括现有工程的基本情况、污染物排放及达标情况、存在的环境保护问题及拟采取的整改方案等内容。
4.2影响因素分析4.2.1污染影响因素分析遵循清洁生产的理念,从工艺的环境友好性、工艺过程的主要产污节点以及末端治理措施的协同性等方面,选择可能对环境产生较大影响的主要因素进行深入分析。
绘制包含产污环节的生产工艺流程图;按照生产、装卸、储存、运输等环节分析包括常规污染物、特征污染物在内的污染物产生、排放情况(包括正常工况和开停工及维修等非正常工况),存在具有致癌、致畸、致突变的物质、持久性有机污染物或重金属的,应明确其来源、转移途径和流向;给出噪声、振动、放射性及电磁辐射等污染的来源、特性及强度等;说明各种源头防控、过程控制、末端治理、回收利用等环境影响减缓措施状况。
明确项目消耗的原料、辅料、燃料、水资源等种类、构成和数量,给出主要原辅材料及其他物料的理化性质、毒理特征,产品及中间体的性质、数量等。
第三章工程分析001
《建设项目环境影响报告表》XX说明《建设项目环境影响报告表》由具有从事环境影响评价工作资质的单位XX.1、项目名称—指项目立项批复时的名称,应不超过30个字(两个英文字段作一个汉字)。
2、建设地点—指项目所在地详细地址,公路、铁路应填写起止地点.3、行业类别-按国标填写.4、总投资-指项目投资总额。
5、主要环境保护目标-指项目区周围一定范围内集中居民住宅区、学校医院、保护文物、风景名胜区、水源地和生态敏感点等,应尽可能给出保护目标、性质、规模和距厂界距离等.6、结论与建议—给出本项目清洁生产、达标排放和总量控制的分析结论,确定污染防治措施的有效性,说明本项目对环境造成的影响,给出建设项目环境可行性的明确结论。
同时提出减少环境影响的其它建议。
7、预审意见—由行业主管部门填写答复意见,无主管部门项目,可不填。
8、审批意见—由负责审批该项目的环境保护行政主管部门批复。
建设项目基本情况项目名称年产500万套密胺餐具、20万套及制品建设项目建设单位河南蓝翔塑胶有限公司法人代表孙凤国联系人孙凤国通讯地址XX市米村镇杨岗村河南蓝翔塑胶有限公司联系电话传真/ 邮政编码452370建设地点XX市米村镇杨岗村立项审批部门XX市发展和改革委员会批准文号豫郑新密制造[2016]10550建设性质新建□改扩建■技改□行业类别及代码日用塑料制品制造(C2927)占地面积(平方米) 9960绿化面积(平方米)800总投资(万元)1000其中:环保投资(万元)15.2环保投资占总投资比例1.52%评价经费(万元)/预期投产日期/项目内容及规模一、项目由来河南蓝翔塑胶有限公司于2015年4月投资3000万元,在XX市米村镇杨岗村建设年产300万套密胺餐具建设项目,其环境影响报告表由河南朗天环保科技有限公司于2015年1月XX完成,2015年3月23日通过XX市环境保护局审批,后因增加模具生产线,委托河南朗天环保科技有限公司XX变更环境影响分析报告,项目现有工程环评手续审批过程见表1。
第三章工程分析[001]
第三章工程分析3.1施工期污染源分析本扩建工程(三期后阶段)在现有厂区用地范围内建设,没有新征工程用地。
现有厂区工程用地已平整,因此施工期的挖填方及场地平整工程量很少,主要施工内容为焚烧设备、烟气净化设施、医疗垃圾处理车间设备、管道安装、污泥干化车间等。
根据本项目的主要施工内容进行分析,施工期主要环境影响源包括:(1)施工废气①主要为工艺设备及附属结构土建工程施工过程产生的水泥粉尘及施工现场扬尘;②各生产装置、公用工程设施施工安装过程的焊接烟气;③施工机械、施工车辆燃油产生的尾气。
(2)施工期废水①施工人员的生活污水:根据施工状态,施工高峰期现场施工人员最多可达20人,最大产生量约为2t/d;②施工机械、车辆清洗废水:日最大产生量约为5t/d,主要污染物为SS和少量石油类;③土建施工泥浆水:产生量较少。
(3)施工噪声主要为各种基础打桩噪声、施工材料运输车辆噪声、设备管道现场焊接噪声以及其它施工电动机械噪声等。
(4)施工固体废物①施工生活垃圾:高峰期最大产生量约30kg/d。
②少量施工机械擦洗抹布。
③建筑废物:主要为废砖、混凝土渣、废土石、废钢材、废木材等。
④安装废物:主要包括钢材及管道边角料、废零件、焊渣等。
3.2营运期污染物生产机理及产污环节分析3.2.1恶臭污染物本项目恶臭污染物主要来源于以下三个方面:(1)生活垃圾贮坑:生活垃圾在贮存坑内由于厌氧发酵将产生NH3和H2S等恶臭气体;(2)渗滤液处理站:垃圾渗滤液处理站在运行过程中,由于微生物、原生动物、菌股团等的新陈代谢作用,主要产生H 2S 、NH 3、恶臭等污染物,产生恶臭气体构筑物主要来自调节池、厌氧池、污泥池等;(3)医疗垃圾处理车间:医疗垃圾处理车间不可避免产生恶臭,主要来自医疗垃圾储存场所及灭菌装卸区,其主要成份是NH 3、H 2S 以及细菌和病毒等微生物。
(4)污泥干化处理车间:污泥接收和储存时会产生恶臭污染源,主要污染物为NH 3和H 2S 。
长江现代城1——工程分析
施工扬尘污染物是造成大气中 TSP 浓度值增高的要紧因素之一,直截了当妨
碍都市空气环境质量。本工程扬尘来源要紧有:
·场地“三通一平〞施工。 ·根底施工、土石方挖掘及弃土运输时产生的扬尘。 ·建筑材料〔商品混凝土、钢材及少量的沙、石、水泥等〕运输进场装、卸 及堆放过程产生的扬尘。 ·现场混凝土搅拌过程产生的扬尘。 各工序产生的扬尘,具有量多、点多、面广的特点,为工程施工期的要紧环 境妨碍因素之一。 〔2〕施工期扬尘的防治措施 为了保证施工人员和四周居民的躯体健康,和尽量减少对四周路人的产生的 滋扰,施工扬尘必须得到严格操纵。做好扬尘防护工作,本工程拟采取如下的施 工扬尘的操纵措施: ①加强施工治理,安排专职人员负责施工现场卫生治理工作; ②施工前先修建施工围墙;对土石方临时堆场及建筑材料〔如水泥、沙石等〕 修建围护设施; ③施工场地定期洒水落尘,并及时清扫及冲洗道路; ④对土石方转运及材料运输车辆进行严格清洗,车辆进出口设置防尘措施, 防止将泥浆带出场外,防止对滨江路造成扬尘污染。
③材料装卸采纳人工传递,严禁抛掷或汽车一次性下料。
④选用低噪声设备,对产生噪声的木工机具,混凝土振捣器等尽量安排在白
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第1章序论Introduction本章首先要在第1节中对这本书的名称「工程分析」做一个界定。
界定了本书的范围后,在第2节中我们将对本书的编排结构作一说明,并且对每一章作一扼要的背景说明。
第1.1节工程分析Engineering Analysis1.1.1 Engineering在还没说明什么是engineering analysis之前,我们先来确认一下什么是engineering。
很多工学院的学生很少详细地思考过engineering的定义;现在让我们来查查字典。
根据The American Heritage Dictionary [Ref. 1] 的定义:Engineering (n)The application of scientific principles to such practical ends as thedesign, construction, and operation of efficient and economicalstructures, equipment, and systems.工程师所面对的是structures、equipment、及systems;工程师的任务是去design、construct、或operate这些structures、equipment、及systems;工程师不只是将事情完成(get things done)而已,而且还要做的尽可能地efficient和economical。
一般工程应用到的scientific principles,大致上包括了structural mechanics、thermal science、fluid dynamics、electromagnetics等等,这些都是工学院学生的主要修习学科。
Engineering还有另一个意义,它是由动词engineer变化而来的动名词。
你可能听到这样的句子:The car was well engineered. 这个动词engineer的背后隐藏着许多活动,包括design、construct、operate、及apply (scientific principles)。
我们常常听到的Computer-aided Engineering(CAE)就是利用计算机软硬件来辅助工程师进行上述的design、construct、operate的工作。
但是狭义的来说,很多工程师将CAE与计算机辅助工程分析(Computer-aided Engineering Analysis)画上等号。
第1.1节工程分析 51.1.2 工程分析为了有效率地及更经济地来design、construct、operate一个工程系统(包括structure、equipment、或任何system),我们必须对这些工程系统的行为作一个充分的了解,这个过程就是工程分析。
我们先来看看几百年以来,传统的工程师是如何进行工程分析的,然后在下一小节再来看看今天的计算机能帮我们做哪一部份的工作。
下面这张图(图1-1)代表着传统工程分析的步骤,由左到右共有五个方形区块及四个圆形区块;四个圆形区块代表四个步骤,从左至右说明于下。
1-1 传统工程分析的步骤建构分析模型——工程师为了要分析一个工程系统,必须先建立一个分析模型;这个分析模型跟原来的工程系统的差异主要在于它保留了工程系统的本质部分,而去除了非本质的部分(我们会在以后的章节中进一步说明这句话的意义);这个步骤的成功与否决定在工程师对这个工程系统本质的洞察能力。
建立方程序——有了这个分析模型以后,工程师会利用一些物理法则(如动量、能量、质量守恒定律等)及假设(如虎克定律、奥姆定律等)去建构数学方程式;这个步骤当然有赖工程师对这些物理法则及假设的理解。
数学方程式是以另一种形式来表示这个工程系统,所以可以称之为这个工程系统的数学模型。
典型的数学方程式常常是一组含多变量的偏微分方程式。
解方程式——有了数学方程式以后,工程师下一步骤就是去解这些方程式;这当然需要很繁复的数学操作;所以传统的工程师必须具备很好的数学计算能力及耐心。
解方程式后所得到的解答,可以是解析解或是数值解。
这些解答通常需要经过进一步处理后,才能较清楚地显示这个工程系统的行为。
绘制图表——工程师通常会花很多精神,从数学解答中去整理出一些图表;6 第1章序论从这些图表中,我们可以清楚地了解这个工程系统的行为。
1.1.3 计算机辅助工程分析现代的工程师在进行工程分析时,基本上还是遵照图1-1所描述的步骤,但是有一部分可以由计算机全自动化地来处理,另外有一部份则可以由工程师和计算机互相协助下来进行。
以今天的计算机软硬件技术来讲,图1-1中的「建立方程序」及「解方程式」这两个步骤是可以完全由计算机全自动化地来帮我们做的;其他「建构分析模型」及「绘制图表」两个步骤则是由工程师和计算机互相协助下来进行的。
这样的过程我们称为计算机辅助工程分析(Computer-aided Engineering Analysis)。
下面这张图(图1-2)是计算机辅助工程分析的示意图,它重复了图1-1的所有步骤,但是将「建立方程序」及「解方程式」这两个步骤用一个「黑盒子」包装起来。
这个黑盒子代表一个封闭的计算机处理核心,它会全自动地将一个分析模型转换成数学方程式,并且解出这一通常是很庞大的数学方程式,而其解答通常是以数值方式储存起来的。
至于此一分析模型则必须由黑盒子外部输入,而最后的数值解也必须在黑盒子外部处理。
所谓「黑盒子外部」是指有工程师参与其中的计算机处理环境。
黑盒子上有两个窗口,透过这两个窗口工程师可以输入一个分析模型到黑盒子,也可以从黑盒子取出数值解。
图1-2 计算机辅助工程分析的步骤在图1-2中,黑盒子内部代表一个解工程问题的程序:以一个分析模型为输入,而以数值解为输出。
半世纪以来,很多工程师、数学家、计算机专家投入很多心第1.1节工程分析7力,发展出许许多多解工程问题的方法,譬如说有限元素法、有限差分法、边界元素法等等。
但是至目前为止,应用最广泛的是有限元素法(Finite Element Method,FEM)。
本书所使用的工程分析软件ANSYS即是基于有限元素法发展出来的。
基于上述的理由(应用的广泛性及ANSYS的发展历史),所以在以后章节中,我们以有限元素法作为工程分析中的标准程序。
关于有限元素法的书籍非常多,本书只列出由R. D. Cook等人所著的两本书[Ref. 2, 3] 供读者参考。
综合以上的讨论,我们可以把计算机辅助工程分析简化成下面这张图(图1-3)。
分析模型和数值解答还是在黑盒子里面,「建立方程序」及「解方程式」两个步骤用「有限元素分析」来取代。
「建构分析模型」这个步骤,我们常称为「前处理」,而「绘制图表」这个步骤,我们常称为「后处理」。
所以在图1-3中,我们通常把计算机辅助工程分析分成三个部分:前处理、有限元素分析、及后处理。
图1-3 以有限元素法进行计算机辅助工程分析的步骤1.1.4 实例:Thermal Actuator本节至目前为止,都是以相当抽象的方式来解说工程分析的步骤,这对于刚入门的读者来说,可能有些部分不易领略。
这一小节中,我们较具体地举一个例子来说明工程分析的步骤(图1-3)。
本实例的图片取自ANSYS公司的网页[Ref. 4]。
图1-4是一个热致动器(thermal actuator),它是做为一个微机电系统(MEMS)中的一个组件,所以尺寸通常是在微米( m)的等级。
这个组件的结构事实上8 第1章序论是一根悬臂梁;悬臂梁包含两部分:下面是比较细的部分,上面是较粗的部分。
在左边固定端有两个垫片分别连接两个电极。
图1-4 Thermal Actuator如果给予这两个电极一个电位差(假设高电位在上面的电极),电流就会依次流经上面的电极、悬臂梁较粗的部分、悬臂梁较细的部分、而到达下面的电极。
当电流流过较细的部分时,因为电阻比较大,就会产生较多的焦耳热,温度也就较高,膨胀就较多;相反的,电流流过较粗的部分,因为电阻比较小,产生的焦耳热较少,温度就较低,膨胀就较少。
整体而言,细的部分膨胀较多,粗的部分膨胀较少,造成悬臂梁往上弯曲。
总而言之,当给予电位差时,悬臂梁就会往上弯曲,而没有电位差时,悬臂梁就会回到原来的样子。
如此经由电流的开与关,可以造成悬臂梁上下运动,而达到致动的目的。
图1-4是一个已制作完成的热致动器,在显微镜下所拍摄的像片。
一般而言,在制作之前,需要进行设计的工作;所谓设计工作包括材料的选择、尺寸的决定、甚至电流量的决定等等,以符合这个热致动器功能及可靠性的需求。
设计的方法常常包括在几种不同的设计下去「测试」是否符合这些需求,并选出一组较佳的设计;上述的「测试」工作,在没有实物可测试的情况下,只能以「计算机仿真」的方式进行。
在本书中,我们将「计算机仿真」视为「工程分析」的同义字。
我们想要知道这个热致动器在一系列不同的电压大小及频率下的行为。
首先,功能上要求致动器的变位量要大到某一水平,才能有效的驱动。
另外我们也必须知道电压开与关的频率最快能达多快;我们知道温度的传递必须要时间,若频率太高时,就会来不及传递这些温度,当然就无法有效的来作动。
在可靠性的要求方面,悬臂梁的温度、应力、应变是否超出材料的忍受范围?为了进行工程分析,我们需要去建立一个分析模型,图1-5是一个分析模型。
第1.1节工程分析9一个分析模型描述了工程系统的本质的部分,包括了几何形状及尺寸、材料模型、负载等,而去除掉与我们要探讨的行为无关的非本质部分。
图1-5 Thermal Actuator的分析模型这个分析模型经有限元素分析后,转换成数值解答;而数值解答经后处理后可以得到各种图表(图1-3)。
图1-6是最后获得的结果之一,它描述了这个热致动器的温度分布情形。
在此我们用淡的颜色来代表较低的温度,而用深的颜色来代表较高的温度。
图1-6 Thermal Actuator的温度分布图10 第1章序论第1.2节教学目标与方法Objectives and Approaches1.2.1 教学目标作为一本教科书,本书当然有明确的教学目标。
对工程师而言,去使用一个诸如ANSYS的CAE软件来分析工程问题是很重要的,但是我们也知道,去使用一个CAE软件并不像在使用一般的文字处理程序或绘图程序,这些软件几乎不需具备任何的背景知识;可是去使用一个CAE软件就需要相当的背景知识。
这本书的教学目标就是帮助学生去获得这些背景知识。
更具体的来说,我们的教学目标可以归纳成两项:第一个目标就是学习怎么去model一个工程系统,也就是怎么去建立一个分析模型;第二个目标是去理解有限元素法分析过后所得到的数值解。