硝酸四合一机组底座的结构分析及优化设计

论文摘要

硝酸四合一机组是汽轮机、氧化氮压缩机、轴流压缩机和膨胀机组合的总称。机组底座作为硝酸四合一机组的主要支撑结构,结构尺寸大,安全性能要求高。将计算机辅助工程分析(CAE)技术应用于结构设计过程,能够快速而准确的对机组底座结构的强度、刚度以及振动特性进行分析,从而方便对结构的优化设计。本论文以硝酸四合一机组底座为研究对象,运用有限元法、结构力学、动力学等理论,以ANSYS软件为手段,按照机组底座的结构特点和实际工作条件建立底座的有限元参数化模型,并对其分别进行了静态分析和动态分析(模态分析和谐响应分析)。通过静态分析获得结构的静强度和静刚度值；通过模态分析确定了结构的固有频率和相应振型,并在此基础上进行了谐响应分析,分析出机组底座在受不同频率扰力作用时的节点位移响应。并提取各分析中的计算结果,为动态优化设计做好准备。本论文利用有限元分析软件ANSYS对机组底座结构进行基于动态特性的优化设计。分别以侧板节点位移之和、上下盖板节点位移之和为动态优化设计的目标,以上箱梁主要板厚作为设计变量,以结构的静强度作为约束条件,建立了机组底座动态优化的数学模型。优化分析后,对不同优化目标下的两个方案进行比较,提出一种重量较轻、静动态性能优良的机组底座结构设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 动力机器、基础的分类
• 1.2.1 动力机器分类
• 1.2.2 动力机器基础分类
• 1.3 工程概况
• 1.4 论文采用的理论方法及应用现状
• 1.4.1 动态性能研究方法
• 1.4.2 有限单元法
• 1.4.3 优化设计
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 机组底座有限元参数化模型的建立
• 2.1 有限元法基本理论
• 2.1.1 有限元法的基本思想
• 2.1.2 有限元法的分析过程
• 2.2 梁单元的基础理论
• 2.3 板单元的基础理论
• 2.3.1 平面矩形单元
• 2.3.2 薄板弯曲有限元法
• 2.4 有限元分析软件ANSYS简介
• 2.4.1 ANSYS软件的特点
• 2.4.2 ANSYS软件的组成
• 2.4.3 ANSYS软件的分析步骤
• 2.5 参数化技术与参数化设计语言APDL
• 2.6 机组底座有限元参数化模型的建立
• 2.6.1 模型的单元组成
• 2.6.2 模型的单元特性
• 2.6.3 模型的材料特性
• 2.6.4 边界约束条件
• 2.6.5 模型的基本假设
• 2.6.6 机组底座有限元参数化计算模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 机组底座静力与支腿稳定性分析
• 3.1 机组底座的静力分析
• 3.1.1 静力分析理论
• 3.1.2 机组底座模型中的全局坐标系的定义
• 3.1.3 机组底座静态分析中的计算载荷
• 3.1.4 机组底座静态分析中的计算工况
• 3.1.5 机组底座静态有限元计算结果
• 3.1.6 静态有限元计算结果分析
• 3.2 机组底座支腿的稳定性分析
• 3.2.1 机组底座简化模型的建立
• 3.2.2 支腿稳定分析中的载荷计算
• 3.2.3 支腿稳定分析中的工况选择
• 3.2.4 结果数据的读取
• 3.2.5 支腿的稳定性校核
• 3.2.6 支腿稳定性计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 机组底座的模态及谐响应分析
• 4.1 模态分析理论
• 4.1.1 模态分析基本有限元方程
• 4.1.2 模态提取方法
• 4.1.3 ANSYS模态分析步骤
• 4.1.4 机组底座的模态分析结果
• 4.2 谐响应分析理论
• 4.2.1 谐响应分析基本有限元方程
• 4.2.2 谐响应分析的使用条件
• 4.2.3 谐响应分析的求解方法
• 4.2.4 谐响应分析的求解步骤
• 4.2.5 阻尼的选取
• 4.3 机组底座结构的谐响应分析计算
• 4.3.1 硝酸四合一机组产生的激振力
• 4.3.2 硝酸四合一机组的谐响应分析结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 机组底座动态优化设计
• 5.1 动态优化设计的内容
• 5.1.1 动态优化设计常用建模方法
• 5.1.2 动态优化设计方法
• 5.2 动态优化设计的数学模型
• 5.3 ANSYS优化设计
• 5.3.1 ANSYS优化设计的过程和步骤
• 5.3.2 ANSYS优化方法和工具
• 5.4 机组底座结构的动态优化设计
• 5.4.1 定义目标函数
• 5.4.2 定义设计变量
• 5.4.3 定义状态变量
• 5.4.4 机组底座结构动态优化设计结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文