倒伞型曝气机有限元分析及优化设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告
题目  倒伞型曝气机有限元分析及优化设计

说    明                      
  开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写的内容应保持一致

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；分析涡轮机

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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CAD
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。 [版权所有：http://DOC163.com]
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、Bentley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Parasolid为核心的CAD软件(如
Unigraphics、SolidEdgv、SolidWorks、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，如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，降低产品的成本。

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    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。
 
二、国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%。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 Engineering）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； [资料来源：http://Doc163.com]
    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50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FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：
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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。 [资料来源：Doc163.com]


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（Graphics User 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，工程师可以在集成的CAD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、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。

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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。 [资料来源：Doc163.com]
国内发展情况和前景
    1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到1981年ADINA非线性结构分析程序引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少，大约只有杭州汽轮机厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安装有上述程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。
    PC机的出现及其性能奇迹般的提高，为移植和发展PC版本的有限元程序提供了必要的运行平台。可以说国内FEA软件的发展一直是围绕着PC平台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户（100家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4. 0等。
    但正如上面所述，国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对PC平台不屑一顾转变为热衷发展，对国内FEA程序开发者来说发展PC版本不再具有优势，而应该从下面几方面加以努力：

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1 研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEA程序
   经过几十年的研究和发展，用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟，现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题。由于国内没有类似功能的商品化软件，所以国外的软件就卖得非常贵。为了破这种垄断局面，我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。因为流体力学问题远比固体复杂得多，而且很少有现成的软件可以借鉴，所以需要投入大量的人力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支持。

2 开发具有中国特色的自动建模技术和GUI
    开发建模技术和GUI的投入比前述课题要少得多，但却可以大大提高FEA软件的性能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作，但是由于当时PC机上的图形支撑环境有限，所以开发的效果都不甚理想。
    Windows中提供了OpenGL图形标准，为在PC机上应用可视化图形技术开发GUI提供了强有力的工具。OpenGL是当今国际上公认的高性能图形和交互式视景处理标准，应用它开发出来的三维图形软件深受专业技术人员的钟爱，目前世界上占主导地位的计算机公司都采用了这一标准。正如前面所述，近年来国外有的FEA程序已抛开仿真软件，直接在Windows平台上开发有限元程序。杭州自动化技术研究院1997-1999年采用OpenGL图形标准和相应的Visual C++等编程工具，在PC机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。它能直观地通过对"菜单"、"窗口"、"对话框"和"图标"等可视图形画面和符号的操作，自动建立有限元分析模型，并以交互方法式实现计算结果的可视化处理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精确性，也便于用户学习和掌握。

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3 与具有我国自主版权的CAD软件集成
    前面已经讲过，当今有限元方法的一个重要特点是和CAD软件的无缝集成。作为我国自行开发的FEA程序，首先要考虑和我国自主版权的CAD软件集成。因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件，所以要和具有三维造型功能和CAD软件集成，使设计和分析紧密结合、融为一体。目前国内二维设计的绘图软件较多，但是真正具有三维造型功能的CAD软件只有浙江大学大天电子信息系统工程公司的GS-MCADII。该软件已在机械、航天、轻工等行业和科研单位得到了广泛的应用，列为国家"863"高技术CIMS主题主推产品，并获得全国第二届自主版权CAD软件评测最高奖。目前我们正努力实现自己的FEA软件和GS-MCADII的无缝集成，争取打破国外CAD集成软件系统一统天下的局面。

三、研究内容及实验方法： 
    用ANSYS对倒伞型曝气机的叶片进行有限元建模分析，引用其结果对叶片进行优化设计。（1）用CAD建立叶片的二维图形。（2）用UG建立叶片的三维立体模型。（3）把三维图用IGES格式导入ANSYS进行有限元分析。（4）对其结果优化设计。
主要内容：
1、有限元软件ANSYS的概念
2、ANSYS软件主要特点 [资料来源：http://doc163.com]
3、曝气机的结构功能及工作原理详细分析
4、ANSYS曝气机的有限元分析与优化设计

四、目标、主要特色及工作进度:
1、查找资料，外文资料翻译（不少于6000字符），开题报告    第1周-第2周
2、运动及动力参数计算                                     第3周-第4周
3、用UG/Solidworks对系统进行实体建模和设计               第5周-第6周
4、有限元分析（ANSYS）                                    第7周-第9周
5、曝气机优化设计                                       第10周-第11周 [来源：http://www.doc163.com]
6、绘制零、部件图，装配图                               第12周-第13周
7、毕业论文撰写                                         第14周-第16周
8、答辩准备及论文答辩                                   第17周-第17周

五、参考文献
1   王昆 机械设计课程设计 北京 高等教育出版社 2006
2   濮良贵 机械设计  北京 高等教育出版社 2007
3   倒伞型表面曝气机 JB/T10670-2006
4   邢普等 非等角对数螺旋线搅拌叶片的实验研究   工程设计学报 2008.2 [资料来源：http://Doc163.com]
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   张中和，氧气曝气国内外发展概况，上海市政工程，1999年2月第1期
7   孙靖民，机械优化设计，机械工业出版社1989年2月
8   刘惟信，孟嗣宗，机械最优化设计，清华大学出版社，1986年9月第1版
9   谢庆生，罗延科，李屹编著，机械工程模糊优化方法，机械工业出版社，2001年7月第一版
10   樊会元，席光，王尚锦，遗传算法在流体机械设计中的应用，机械科学与技术2000年11月第6期
11   邱栋，徐志梁，CAE的发展及其在产品设计中的应用，家电科技，2004年第4期
12   程耿东，顾元宪，王健，我国机械优化应用研究的综述和展望，机械强度，1995年第17卷第2期
13   朱伯芳，复杂结构满应力设计的浮动应力指数法.固体力学学报.1984年5卷第2期；255-261
14   王光远，周正源，霍达.结柯设计的两相优化法.力学学报，1983年15卷第4期；376-386 [资料来源：https://www.doc163.com]
15   李康元，结构优化中处理约束的统一公式.计算结构力学及其应用，1991年8 卷第2期；178-185

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