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基于有限元的混凝土搅拌叶片的特性研究

作　者: 郭洪锍
导　师: 谢俊
学　校: 江苏大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 混凝土搅拌运输车搅拌滚筒搅拌叶片(螺旋叶片) ANSYS Fluent 优化设计
分类号: TU642
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着国民经济的发展,建筑业已成为我国国民经济的一大支柱产业。建筑业的发展,决定了预拌混凝土使用量的不断增加。我国预拌混凝土主要用于城市公用、民用建筑中,预拌混凝土的年消耗量日益增加。目前,将这些预拌混凝土从搅拌站运到施工工地是预拌混凝土使用中的重要一环。因此,混凝土搅拌运输车性能的好坏,在一定程度上决定了建筑业经济的发展。混凝土搅拌运输车是以汽车底盘作运载设备的混凝土搅拌、输送、清洗相结合的综合装置,它可以将预拌混凝土从搅拌站运送到建筑工地。混凝土搅拌运输车是基本建设工程中不可缺少的设备,特别是在大型施工工地,它可以极大地减轻混凝土输送繁重的体力劳动,提高施工进度和工作效率,是一种理想的、现代化的混凝土搅拌运输设备。该产品的使用,可以使施工场地获得高品质的混凝土,减少噪声、粉尘及其残留物的污染,符合国家的环保产业政策。混凝土搅拌滚筒是混凝土搅拌运输车用于装载、转运混凝土的重要部件,其搅拌叶片的性能也直接决定了混凝土出料残余量及搅拌滚筒的振动特性。本文主要讨论混凝土搅拌运输车的搅拌装置——搅拌滚筒及其螺旋叶片的三维参数化设计,并且应用有限元分析软件对搅拌叶片进行强度、刚度以及模态分析,在此基础上对搅拌叶片进行了结构优化,同时利用CFD软件对混凝土搅拌输送车搅拌滚筒的内部流场进行数值模拟,最后对混凝土搅拌运输车进行了现场测试。本文在UG软件中利用三维参数化设计方法对混凝土搅拌运输车的搅拌滚筒和螺旋叶片进行了设计,采用该参数化设计可以缩短设计周期,节省设计成本,提高设计效率。利用ANSYS软件对搅拌叶片的有限元分析可知,叶片的应力分布不均匀,并且最大应力与最小应力相差几个数量级,叶片的最大受力在其中部,因此为了使叶片在实际使用中满足工况要求,同时为了避免材料的浪费,采用修正Powell优化方法对搅拌叶片的厚度尺寸进行了优化,这对搅拌叶片的设计提供了帮助。同时,在CFD软件中进行了搅拌滚筒内的混凝土流场分析,探索了一种在CFD软件中对混凝土这种复杂流体模拟的方法,对模拟结果进行了分析,并进行了混凝土搅拌运输车的现场测试,测试结果符合要求。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题的研究背景、目的和意义  10-11
  1.2 混凝土搅拌运输车的结构和特点  11-12
    1.2.1 混凝土搅拌运输车的组成  11
    1.2.2 搅拌运输车各组成部分的作用  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-17
    1.3.1 国内外混凝土搅拌运输车的研究现状  12-16
    1.3.2 国内外混凝土搅拌运输车搅拌叶片及内部流场的研究现状  16-17
  1.4 主要研究内容与方法  17-18
第二章搅拌滚筒及螺旋叶片设计计算  18-34
  2.1 搅拌车筒体设计  18-22
    2.1.1 搅拌筒体建模  18-21
    2.1.2 搅拌滚筒具体结构设计  21-22
  2.2 搅拌螺旋叶片的设计  22-32
    2.2.1 螺旋线理论计算公式  24-27
    2.2.2 叶片螺旋线参数化设计  27-28
    2.2.3 搅拌滚筒螺旋线具体实现  28-29
    2.2.4 搅拌叶片的参数化设计  29-32
  2.3 本章小结  32-34
第三章混凝土搅拌运输车搅拌叶片的有限元分析  34-47
  3.1 有限单元法  34-36
    3.1.1 有限单元法的基本思想  34-35
    3.1.2 有限元法解的特点  35
    3.1.3 有限元分析基本步骤  35-36
  3.2 ANSYS软件简介  36-38
  3.3 搅拌筒搅拌过程的运动分析  38-41
    3.3.1 建立动力学模型  38-39
    3.3.2 运动分析  39
    3.3.3 动力分析  39-41
    3.3.4 建立动力学方程  41
  3.4 搅拌叶片的静力分析  41-44
    3.4.1 搅拌叶片有限元模型的建立  41-43
    3.4.2 搅拌叶片静力分析  43-44
  3.5 搅拌叶片的模态分析  44-46
    3.5.1 模态分析基本原理  44-45
    3.5.2 模态分析  45
    3.5.3 结果分析  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章混凝土搅拌运输车搅拌滚筒内流动性态模拟  47-71
  4.1 搅拌滚筒内流场理论研究  47-51
  4.2 搅拌过程的CFD软件模拟  51-59
    4.2.1 Fluent软件简介  51-53
    4.2.2 非牛顿流体的特点  53-58
    4.2.3 预拌混凝土的主要特点  58
    4.2.4 混凝土中的离析现象  58-59
  4.3 混凝土搅拌筒的搅拌工作原理  59-61
  4.4 混凝土搅拌筒内部流动模拟  61-69
    4.4.1 计算模型的建立和网格的划分  61-64
    4.4.2 定义材料  64
    4.4.3 定义离散方法  64-65
    4.4.4 计算的初始化和迭代  65
    4.4.5 计算结果和后处理  65-66
    4.4.6 模拟结果分析  66-69
  4.5 本章小结  69-71
第五章混凝土搅拌叶片的结构优化设计  71-85
  5.1 优化设计简介  71
  5.2 结构优化设计理论及其数学模型  71-74
  5.3 ANSYS软件在优化设计中的应用  74-78
    5.3.1 优化方法  76
    5.3.2 ANSYS软件优化设计的基本步骤  76-78
  5.4 搅拌叶片的结构优化设计  78-80
    5.4.1 搅拌叶片优化设计过程  78-80
    5.4.2 计算结果与分析  80
  5.5 混凝土搅拌运输车的现场测试  80-84
    5.5.1 基本性能  81-82
    5.5.2 专用功能  82-83
    5.5.3 路况测试  83-84
  5.6 本章小结  84-85
第六章总结和展望  85-86
致谢  86-87
附录  87-88
参考文献  88-90
攻读硕士学位期间发表的论文  90

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