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：Fin ite Element Ana lysis and Optima l Designfor Inverted UmbrellaAera torAbstract：The inverted umbrella aerator is the key equipment of biological wastewater treatment technology,which has the effects of oxygenation, mixing and p lug - flow. The design and op timization of the mixing impeller ismost important to the efficiency of oxygenation. In this paper, the solidmodeling and finite element analysis and op ti2mal design of aerator blades were made based on the study of the oxygenation mechanism. Firstly, the working process of the bladeswas studied through solid modeling, mesh generation and finite element analysis process, and the stress - strain finite element analysiswas offered based on ANSYS, which identified the weak links in the leaves.And more, the op timized and imp roved designs for the p roduction were made, which set the foundation for the manu2facture of the blades.K eywords:Inverted umbrella aerator; Finite element analysis; Op timal designSignature of Supervisor:目录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)3.1.1 ANSYS软件环境简介 (18)3.1.2 ANSYS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(Computer Aided Engineering)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(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。