倒伞型曝气机有限元分析及优化设计开题报告.docx

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1、开题报告题目倒伞型曝气机有限元分析及优化设计一、课题依据及课题的意义随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展。产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，因而需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析泯轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。以上所有的这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式，但在实

2、际中这基本上是不可能的。采用传统的力学方法只能近似地反映其受力状况以及变形情况，远不能满足对其进行进一步分析的需要。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的主要手段。从“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，其理论和算法都已经R趋完善。有限元分析是一种预测结构的偏移与其他应力影响的过程，由于有限元法的一个独特的优点是可以求解结构形状和边界条件都任意变化的力学问题。有限元的核心思

3、想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程中需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，帮助用户解决了成

4、千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、cosMOs等。其中ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，是集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于一体的大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成零件和部件的设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行有限元分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新在CA

5、D软件中进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平以及效掣4J。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的 CAD 软件(例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SoildWorks IDEAS、Bent ley 和 AutoCAD 等)相应的接口。有些 CAE 软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术。能和以Parasol id为核心的CAD软件(如Uni graph ics SolidEdgv SolidWorks

6、Pro / I/)实现真正无缝的双向数据交换。因此ANSYS也能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，Pro / Engineer,NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等，并且已成为现代产品设计中的高级CAD工具之一。通过与CAD软件的无缝连接及集成使用，即在用CAD软件完成零件和部件的结构设计后，以有限元分析软件为平台，通过建立产品的有限元分析模型，进行有关的分析计算，并根据分析结果对产品进行优化设计。因此在设计阶段较精确的预测出产品的各项工程技术性能指标，如果分析的结果不符合设计要求，则重新进行设计和分析计算，直到满意为止。从而提高设计水平和效率，降低产品

7、的成本。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增加了企业的市场竞争力。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中已经普遍应用。内外研究概况及发展趋势（含文献综述）我国在九五计划期间大力推广CAD技术，机械行业大中型企业CAD的普及率从八五末的20%提高到目前的70沆 随着企业CAD应用的普及，工程技术人员已逐步甩掉图板，而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析（CAE, Computer Aided Engi

8、neering）方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。下图是美国旧金山海湾大桥地震响应计算的有限元分析模型。发展方向及重大进展国际上早20世纪在5

9、0年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS ELAS、MARC 和 STARDYNE 等公司的产品。当今国际上

10、FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：1从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形，而塔的变形又反过来影响到气流的流动这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓流固耦合的问题。2由求解线性工

11、程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛

12、应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。3增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所

13、有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调可视化的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI (GraphicsUser Interface)，使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。4与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用即,在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程

14、师可以在集成的QD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如 Pro/ENGINEER、Uni graph ics SolidEdge SolidWorks IDEAS Bentley 和AutoCAD 等)的接口。5在Wintel平台上的发展早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机(主要是Mainframe)上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站(EWS, Engineering Workstation)为平台，它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。PC机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工

15、程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的PC机采用16位CPU和DOS操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过1万阶方程。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出为将PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到Wintel平台上。下表列出了用ADINA V7. 3版在PC机的Windows NT环境和SGI工作站上同时计算4个工程实例所需要的求解时间。从中可以看出最新高档PC机的求解能力已和中低档的EWS不相上下。为了将在大中型计算机和EWS上开发的有限元程序移值到PE机上，常常需要采用Hummingbird公司的一个仿真软件Exceed。这样做的结果比较麻烦，而且不能充分利用PC机的软硬件资源。所以最近有些公司，例如IDEAS、ADINA和R&D开始在Windows平台上开发有限元程序，称作Native Windows版本，同时还有在PC机上的Linux操作系统环境中开发的有限元程序包。国内发展情况和前景1979年美国的