封闭式高速发酵设备数字样机开发与仿真优化设计

摘要

封闭式高速发酵设备是一种应用于处理畜禽粪污的搅拌式发酵机，其封闭性好、自动化程度高、占地面积小、操作简单，可一年四季不间断运行。在投入畜禽粪污、发酵菌及辅料后封闭式高速发酵设备可直接产出优质有机肥，大大解决人民生活水平提高畜禽肉类需求增加进而畜禽粪污产量增加带来的环境污染问题。 由于搅拌发酵设备不断向大型化、自动化发展，对其结构设计及工艺参数的选取也越来越严格，采用前人总结的经验关联式对搅拌发酵设备进行设计放大的计算结果并不准确，其工作参数设置不合理也会消耗不必要的能源且不能充分发挥机器的性能。 针对这一情况，本文以Φ4.49×5.25m3型封闭式高速发酵设备为研究对象，应用数字样机技术，对该畜禽粪污搅拌发酵设备进行数字样机开发、功能仿真、关键零部件分析，并对其工艺参数和结构型式进行分析改进。论文主要包括以下方面内容: (1)构建封闭式高速发酵设备零部件详细的三维数字化模型，进行数字样机整机装配开发数字样机。对整机模型进行干涉检验并制作可用于其结构演示的三维装配动画。 (2)分析高速发酵设备工作原理，将设备零部件三维模型导入运动学与动力学软件ADAMS进行高速发酵设备原理与功能运动仿真，制作一套可用于其功能演示的三维动画。验证搅拌设备整机装配及运动部件设计的合理性。 (3)针对封闭式搅拌发酵设备关键部件进行CAE分析。主要对旋转液压驱动杆进行有限元分析，在极端载荷工况下对驱动杆进行静力学分析并对其进行屈曲稳定性分析。 (4)针对封闭式搅拌发酵设备物料性质和工艺参数进行验证优化。主要对设备的物料黏度、转速及填充率进行有限元分析与验证。利用ANSYS及ANSYS Fluent进行搅拌装置的流固耦合有限元分析，由搅拌装置在物料不同黏度、填充高度及转速下受转矩、变形和受力情况，求出物料合理黏度范围及工艺参数。对搅拌装置在受力状态下进行模态分析。 (5)针对封闭式搅拌发酵设备结构型式进行改进优化。将搅拌发酵设备由立式改为卧式。对比两种结构型式搅拌发酵设备在物料不同黏度下搅拌装置的受转矩及应力情况，分析验证卧式搅拌发酵设备的可行性、合理性及优越性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2数字化样机技术

1．2．1数字化样机技术的内涵

1．2．2数字化样机技术的特点

1．2．3数字化样机技术的应用与发展趋势

1．3搅拌发酵设备发展概况及研究现状

1．3．1搅拌发酵设备发展概况

1．3．2搅拌发酵设备研究现状

1．4本文研究的主要内容

第2章基于UG的发酵设备数字样机模型建立

2．1概述

2．2 Unigraphics NX简介

2．3数字化建模方法

2．4封闭式高速发酵设备关键零部件的三维数字化建模

2．4．1封闭式高速发酵设备的结构组成

2．4．2封闭式高速发酵设备关键零部件的建模实例分析

2．5封闭式高速发酵设备的整机装配

2．5．1虚拟装配设计基本理论

2．5．2封闭式高速发酵设备的整机装配

2．5．3封闭式高速发酵设备的干涉检验

2．5．4封闭式高速发酵设备的装配动画制作

2．6本章小结

第3章基于ADAMS的搅拌发酵设备运动仿真

3．1概述

3．2高速发酵搅拌设备工作机理

3．3应用ADAMS进行高速发酵搅拌设备功能仿真

3．3．1机械系统运动学与动力学软件ADAMS介绍

3．3．2应用ADAMS进行高速发酵搅拌设备功能仿真步骤

3．4搅拌设备各主要部件的运动仿真

3．4．1下料斗的运动仿真

3．4．2搅拌装置搅拌动作的运动仿真

3．4．3螺旋出料装置的运动仿真

3．5本章小结

第4章封闭式搅拌发酵设备旋转液压驱动杆有限元分析

4．1概述

4．2有限元法及ANSYS软件介绍

4．2．1有限元理论

4．2．2有限元软件ANSYS介绍

4．3旋转液压驱动杆有限元分析

4．3．1模型导入

4．3．2有限元模型建立

4．3．3施加载荷与约束

4．4有限元结果分析

4．4．1静力学分析结果

4．4．2旋转液压驱动杆屈曲稳定性分析

4．5本章小结

第5章搅拌装置的流固耦合有限元分析

5．1概述

5．2搅拌过程有限元数值方法简述

5．2．1计算流体动力学方法及流体软件

5．2．2流固耦合数值方法及流固耦合软件

5．2．3有限元分析流场数学模型

5．3搅拌装置有限元分析过程

5．3．1几何模型及网格

5．3．2流动模型选择及边界条件

5．3．3流固耦合约束载荷设置

5．4有限元结果分析

5．4．1物料不同黏度下搅拌装置流固耦合分析

5．4．2物料不同填充高度下搅拌装置流固耦合分析

5．4．3不同转速下搅拌装置流固耦合分析

5．4．4搅拌装置流固耦合模态稳定性分析

5．5本章小结

第6章搅拌装置结构型式改进优化数值分析

6．1概述

6．2搅拌设备搅拌装置结构型式的改进设计

6．2．1卧式搅拌设备的流固耦合有限元分析

6．2．2同等条件下立式搅拌设备的流固耦合有限元分析

6．3卧式与立式搅拌设备有限元结果分析

6．4本章小结

第7章结论与展望

7．1研究结论

7．2研究展望

参考文献

致谢

附录