非接触法（共11篇）
非接触法 篇1
摘要：哈尔滨铁路局地处松花江流域, 地下水中含铁量较高, 由于铁路的车站比较分散, 故每个站区都需要独立的除铁净水装置。在我们采取的接触氧化法除铁工艺中, 多采用锰砂滤料。随着地下水的大量开采, 对天然锰砂的需求量日益增加, 加之锰砂价值昂贵, 产地较远, 运输困难, 越来越不能满足生产的需要。因此, 寻求一种价格低廉, 取之方便, 除铁效果满足要求的滤料成为铁路地下水除铁工艺中急待解决的问题。下面, 我们围绕除铁滤料的选择, 探讨一下滤料对地下水除铁的作用。
关键词：锰砂,除铁效果,催化剂
1 天然锰砂本身对水中亚铁离子的氧化是否有催化作用
1933年, 最早的除铁理论提出锰砂表面的二氧化锰是亚铁离子氧化的催化剂, 这个观点后来被发展为天然锰砂暴气除铁的经典理论, 这个理论认为天然锰砂的除铁过程是: (1) 锰砂表面的二氧化锰被水中的溶解氧氧化为七价锰的氧化物。 (2) 七价锰的氧化物将水中的二价铁氧化为三价铁, 同时本身还原为二氧化锰, 用反应式表达为:
由于天然锰砂接触氧化法除铁不要求暴气, 原水可直接进入滤池过滤, 因而, 可省去反应池和沉淀池, 受到普遍推广。但是, 在长期的实践中人们发现了许多与上述理论矛盾的现象。如:在除铁过程中, 锰砂表面逐步被棕黄色的铁质化合物所包围, 但除铁效能并未因锰砂表面被覆盖而减弱;新锰砂滤料初期除铁效果并不好, 只有经过一段时间的除铁运行后, 锰砂表面被铁锈所覆盖, 才开始具有稳定的除铁能力;当滤层反冲洗时, 如果反冲洗强度过大, 时间过长, 则其过滤水质变差。这三个现象都可说明表面清洁的锰砂滤料除铁效果并不好, 表面越洁净, 对亚铁离子的催化作用越小。这使人们产生了怀疑, 锰砂对亚铁离子的氧化是否有催化作用?要想证明锰砂不是催化剂, 还必须找出加快亚铁离子氧化的催化物质。
2“铁质活性滤膜”是催化剂
试验发现, 在去除亚铁离子的过程中, 滤料表面会逐步附着一层铁质化合物, 随着这层铁质化合物数量的增加, 滤层的除铁效果明显增强, 如果把这层铁质化合物重新冲洗掉, 其除铁效能降低。显而易见, 这层铁质化合物对亚铁离子的氧化有强烈的催化作用。
我们发现, 一个发育成熟的滤料, 除核心为原滤料外, 外层是一些疏松状的物质。我们将表面附有疏松物质的滤料与经过认真清洗表面不再有疏松物质的滤料分别装入两根滤料试管中, 实验证明带有疏松物质的滤料除铁效果良好, 而洗去疏松物质的滤料滤后水质很差。这表明起催化作用的不是内层较密实的铁质化合物。而是表面疏松的铁质化合物, 为方便起见, 将其称为“铁质活性滤膜”。
试验还发现, 如果把发育成熟的滤料取出后存放一段时间, 那么, 表面“铁质活性滤膜”的催化作用就会相应减弱。我们用三根滤管进行试验, 一根装入发育成熟的滤料马上投入运行, 另外两根分别搁置不同时间后再投入运行, 试验结果表明, 搁置一段时间在运行的滤料除铁性能已大大降低, 搁置时间越长, 滤料的除铁效能越差。此现象说明, 铁质滤膜尚有个“活性”问题。即它的催化作用只有在连续的除铁过程中才能发挥作用, 并在这个过程中不断覆盖 (或更新) 新滤膜, 才能使滤料永远保持活性。
既然起催化作用的是“铁质活性滤膜”, 那么, 无论采用何种滤料, 只要在滤料表面形成“铁质活性滤膜”, 就可达到稳定的除铁效果, 实验和生产实践都证明了这个事实。
综上所述, 起催化作用的不是滤料本身, 而是“铁质活性滤膜”。那么, 滤料品种对除铁效果有什么影响呢?
3 滤料品种对接触氧化法除铁的影响
滤料品种对除铁效果的影响, 主要表现在新滤料层的初期运行, 随着除铁运行的继续, 各种滤料的除铁能力趋于接近, 这时, 可以观察到滤料的表面已呈棕黄色, 即为“铁质活性滤膜”所包围。这说明在滤料表面的“铁质活性滤膜”未完全形成之前, 滤料的品种对除铁效果有一定的影响, 但影响是短期的。一旦“铁质活性滤膜”包围了滤料, 滤料本身对亚铁离子的作用也就慢慢消失。
3.1 不同品种滤料的初期除铁能力
为探索新滤料的初期去铁能力, 曾用无氧和有氧含铁地下水进行对比试验, 结果表明无论含铁地下水中是否含有溶解氧, 经过滤层过滤, 水中的亚铁离子在一段时间内都能全部或部分被去除。
我们还对有氧、无氧环境下同一滤料的除铁能力进行试验, 其结果是:同一种滤料的初期去铁能力, 无论是有氧或无氧都基本相同, 这表明新滤料的初期除铁能力与水中有无溶解氧无关, 而只与滤料本身的性质有关。
滤料品种不同, 其初期除铁能力亦有很大差异, 表1是我们对部分滤料的测定结果。其中:广西马山锰砂的初期运行除铁能力最大, 为5000毫克铁/升滤料, 而石英砂最差, 仅为24毫克铁/升滤料。
在无氧状态下, 新滤料层截留的铁质经分析后大部分为亚铁, 这表明, 新滤料层除铁主要是吸附作用。
3.2 滤料品种对滤膜形成的影响
试验表明, 新滤料表面吸附的亚铁离子, 氧化后生成的高铁氢氧化物与活性膜有很大的差异, 表现在:第一, 新滤料表面的高铁氢氧化物构造非常密实, 过滤时阻力很小, 当滤料中截留的铁质数量相同时, 新滤料滤层的水力阻抗比随着滤膜的滤层要小数十倍。第二, 在新滤料表面最初形成的高铁氢氧化物并没有强烈的催化活性。
那么, 滤料初期的吸附能力与“铁质活性滤膜”形成之间的关系到底如何呢?我们通过六种滤料对比实验证明:相同的水质, 不同的滤料, 尽管初期吸附能力不同, 但滤料表面形成“铁质活性滤膜”的时间基本相同 (见表2) 。
即:不同品种的滤料, 只要经过大致相同时间的除铁运行, 都能在其表面自然形成具有强类催化作用的“铁质活性滤膜”。
4 总结
天然锰砂、河砂、煤等滤料一般都不具备对亚铁离子氧化的催化作用, 在接触氧化法中, 所有滤料的作用都是作为载体而工作。
在接触氧化法除铁中, 起作用的是在滤料表面自然形成的“铁质活性滤膜”。任何滤料, 只要附着有这种滤膜, 都具有稳定的除铁能力。
不同品种的滤料本身对亚铁离子有不同的吸附能力, 在新滤料运行初期对除铁效果有一定影响。当地下水中含铁量不高时, 采用锰砂滤料可获得理想的初期出水。但当原水含铁浓度很高时, 滤料品种不同对初期出水水质的影响并不明显。
滤料本身吸附能力的大小和滤料表面自然形成“铁质活性滤膜”的时间无关。
锰砂、石英砂、煤都是良好的接触氧化法除铁滤料, 滤料品种的选择主要考虑就地取材、价格和滤料作为截体的条件。
非接触法 篇2
水解酸化与生物接触氧化法的应用
本文介绍了生物接触氧化工艺对伞布印染废水在混入了少量的.拉链厂生产废水以及毛线印染废水后的综合处理问题.在运行过程中,应根据实际情况选取合适的运行参数来解决运行中遇到的问题,以保证处理出水的顺利达标.
作 者：吴海清 WU Hai-qing 作者单位：广州中环万代环境工程有限公司,广州,511430刊 名：中国环保产业英文刊名：CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY年，卷(期)：2007“”(8)分类号：X703.1关键词：水解酸化 生物接触氧化 综合印染废水 运行参数
非接触法 篇3
关键词：生物接触氧化法；芦荟加工；废水处理
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）12-0056-02
随着人们生活质量和生活水平的提高，美容保健越来越成为一种时尚。许多美容品、护肤品中都含有芦荟的成分，另外，被国际认可用于食品加工的库拉索芦荟凝胶，是以库拉索芦荟叶片为原料，经清洗、去皮、漂烫、杀菌等步骤制成无色透明至乳白色凝胶，可用于各类食品。在使用芦荟生产一些美容品、护肤品的原材料，及各类食品的添加材料白色凝胶的过程中，各道工序排放大量的生产废水。该废水中主要含有有机物、悬浮物，表面活性剂等污染成份，其色度、COD、SS含量高，可生化性较好。该废水如不经处理直接排放，会对排入生态体系产生影响，还会造成地下水污染，因此，有必要对芦荟加工废水进行处理。
以云南某芦荟加工废水处理工程实例为例，本文重点介绍该废水的工程设计及调试运行状况，对本项目的调试运行进行分析研究，概述气浮+两级生物接触氧化法处理芦荟生产废水的技术应用，最终可确定采用该工艺是否能够使废水满足排放标准，以后可以借鉴该工艺处理同类型废水。
1 废水的水质、水量及排放标准
1.1 废水水量
该集团的生产线产生的废水，主要是以库拉索芦荟叶片为原料，在清洗、去皮、漂烫、杀菌等过程中产生的生产废水。污水处理站的设计规模为480m3/d，每小时的处理量为20m3/h。
1.2 进水水质
该集团的生产废水中主要的污染物为COD、BOD、表面活性剂、色度、SS等。由于生产过程中清洗、去皮、漂烫芦荟会产生大量难降解有机物质，增加了废水的处理难度。废水中主要的污染物浓度为COD：500—900mg/L，BOD5：300—412mg/L，SS：380—420mg/L、NH3-N：80—120mg/L，色度：300倍，pH：6～8。
1.3 出水水质
根据该集团污水处理站出水排入水系及当地环境保护部门的要求，该集团污水处理站外排水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18920—2002）一级B标准，出水水质为：COD：60mg/L，BOD5：30mg/L，SS：20mg/L，NH3-N：8mg/l石油类：3mg/l。
2 废水处理工艺流程
3 调试与运行
3.1 预处理系统的调试
由于该集团在生产过程中使用大量的活性炭，且原材料中混入较多较小的杂质，因此预处理系统的运行良好与否，直接关系到后续生化系统的稳定运行。预处理系统的调试关键为格栅和气浮。应保证机械格栅的良好运行，格栅拦截较大的条状物，防止水泵被堵塞。气浮处理装置的去除率，关键是控制反应的加药量，通过烧杯实验及现场调试实际情况，原水pH在6.0～6.8之间，直接投加混凝剂及絮凝剂，反应效果不佳。通过调整pH和加药量，当pH调整为在7.5～8.0时，混凝效果良好，矾花凝聚成团。PAC、PAM的配比和加药量如下表所示。
3.2 生化系统调试
采用污水处理厂的经脱水后的活性污泥，对生化系统生物膜进行培养、驯化，直至驯化后的微生物种群能够适应该集团废水。投加污泥的时候，先在接触氧化池内灌入有效池深的1/3池自来水，开启风机，投加污泥。首次污泥量为8吨，投加污泥的同时，抽取来自调节池经预处理过的生产水，污泥投加完毕，接触氧化池水位至设计水位，投加少量的白糖、尿素（白糖约5kg，尿素1.0kg）开始静态闷曝培养。闷曝24小时后关停风机5小时，并用泵抽取接触氧化池内上清液50cm。加入生产废水，闷曝。重复闷曝，抽取上清液。5天后填料表面已全部挂上生物膜，第6天开始连续小水量进水。此时处理水量约为设计水量的40%，10d以后连续进水，进行动态培养。25d后用显微镜观察填料上污泥及接触氧化池内污泥，出现轮虫、钟虫，污泥培养驯化成熟，调试结束，进入正常运营阶段。
经过近一个月的调试运行，污水处理站各构筑物、设备均能满足设计要求，污水处理站出水各项指标均能达到排放标准要求，处理规模和出水水质均能达到设计要求，已通过相关环保部门验收。
4 处理效果分析
采用两级生物接触氧化法处理芦荟加工废水是切实可行的，运行结果表明，采用预处理+两级接触氧化法工艺处理芦荟加工废水，最终出水水质能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中基本控制项目最高允许排放浓度（日均值）中一级B标准，即COD：60mg/L，BOD5：30mg/L，SS：20mg/L，NH3—N：8mg/l石油类：3mg/l。各工艺段处理效果详见表2。
5 结语
两级生物接触氧化法具有普通生物处理法所具有的共性，即主要利用微生物的吸附、凝聚，氧化分解能力来处理污水。另一方面它又具有其个性，由于它是把细菌和原生动物的作用分开，充分发挥它们各自的功效，因而又具有污染物去除率高，抗冲击负荷强等优点。
因为是引进的种泥为污水处理厂污泥，在培养驯化过程中，曝气池边角落会堆积越1cm后的棕色粘稠的污泥，该现象属于培养过程中污泥优胜劣汰及污泥新陈代谢的正常表现。且在污泥培养过程中，曝气池池顶会出现大量的白色泡沫，会掩盖整个曝气池，这一问题也属培菌初期的正常现象，只需控制好溶解氧并采取自来水喷洒消泡措施，待污泥培养驯化成熟后变可得到解决。
采用预处理+两级接触氧化池工艺处理芦荟加工废水是切实可行的，出水各项水质指标均优《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18920—2002）一级B标准。该工艺处理的废水出水水质好，也有较大的抗水质变化能力，整个工艺运行效果稳定可靠，操作简单，值得推广。
参考文献
[1] 城镇污水处理厂污染物排放标准（GB/T18920—2002）[S].
[2] 张君，时鹏辉.组合式气浮反应器-接触氧化池工艺处理发制品废水.
基于接触单元的扭矩施加法 篇4
在实际工程问题中,扭矩无处不在。如攻丝的丝锥、车床的光杆、搅拌轴、汽车传动轴等等,都是受扭构件,承受扭矩作用。为了更好地分析上述构件在扭(转)矩作用下的变形、应力、应变等物理量,现代先进设计制造分析方法引入有限元来模拟结构在外载荷作用下的响应问题。对于很多工程模型,必须考虑结构的一些几何特征,如轴的键槽、丝锥的螺纹面等。因此,实体模型上扭矩的施加就成为一个非常关键的问题。这包括扭矩施加的形式、位置,不同方式施加的扭矩会导致整体刚度矩阵的不同,最终会导致应力集中,影响结果的评定。ANSYS作为全球最通用的大型有限元分析软件之一,其强大的分析功能已为国内外一致认同,现已成为许多领域结果评定的行业标准。由于ANSYS中不能直接对实体单元施加力矩,因此国内有些学者就采用若干对力偶的形式来代替扭矩[1,2],该方法容易导致局部应力集中;改进的方法引入一些特殊单元如刚性连接rbe3单元[3]、多点约束mpc184单元[4]、集中质量mass21单元等,通过引入这些特殊单元,能够比较好地实现扭矩的施加,特殊单元的引入改变了整体刚度矩阵;本文提出采用接触单元能够很好地解决扭矩的施加问题。
2 基于接触单元的扭矩施加法
接触本来是作为非线性(状态非线性)分析的重要手段,也可以用来完成扭矩的施加。首先选择扭矩施加截面上的一点作为pilot点,通过定义该pilot点与截面的接触关系,生成接触单元[5],从而激活实体单元的转动自由度。最终扭矩施加到pilot点上,下面以一个具体实例来进行说明。
2.1 实例
现以长为200mm、直径为100mm的钢管为例,说明扭矩的施加。钢管材料视为线弹性,其弹性模量及泊松比分别为:E=2×1011Pa,μ=0.3。钢管一端固定,另一端受1000N·m扭矩作用。
2.2 理论分析
该实例为一圆柱受扭矩作用下的变形问题,根据材料力学经典理论有[6]:
最大切应力
扭转角
最大变形量
2.3 有限元分析
有限元分析一般分为三个模块:前处理模块、求解模块以及后处理模块。其中前处理模块包括模型的建立、单元定义、材料属性定义、划分网格;求解模块包括:定义分析类型、施加边界条件(约束及载荷)、求解;后处理模块包括:计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到内部结构)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[7]。
为了更好地确定pilot点,在扭矩作用面上定义一个硬点,由于硬点的存在导致网格划分不能采用映射划分或是扫略划分[8]。因此单元选择带中间节点的四面体单元solid92,指定单元尺寸为10,节点、单元数目见表1所示。
在完成了网格划分以及材料属性的赋予,需要创建接触单元。ANSYS提供了多种生成接触单元的方法,可以通过命令流直接生成接触单元,也可以通过ANSYS自带的接触向导生成接触单元。本文主要是基于后者的阐述。进入接触向导以后,Target Type选择Pilot Node Only,拾取硬点所在的节点作为pilot点,选择扭矩所在平面作为接触面,耦合所有自由度,完成接触单元的自动创建。接触单元创建以后,施加约束和载荷(扭矩,扭矩可以直接施加到硬点上,也可以施加到硬点所在的节点上)。由于该问题单元划分得较密,所以求解方法选择PCG(预条件共轭梯度法,该方法针对大规模问题很有效)。后处理查看结果如图1所示。
3 结果分析
从图1可以看出采用接触单元来施加扭矩,无论是应力还是位移都和理论解析解吻合得相当好,而且采用该方法不会导致明显的应力集中,也不需要引入特殊单元,只需要借助于ANSYS本身自带的接触向导就可以很容易地生成接触单元。表2将理论解与该方法的数值解进行了对比。
4 结语
通过集中力偶来代替扭矩会导致明显的应力集中,虽然通过圣维南原理选择远离集中力作用的区域,该方法也能达到足够的精度要求。但该方法需要确定集中力的大小,集中力大小与模型尺寸、网格疏密程度均有关,因此该方法具有一定的模型依赖性。对于大型问题还需要采用APDL语言进行集中力的自动计算、施加,不利于工程应用;rbe3刚性连接单元需要配合mass21集中质量单元联合作用完成扭矩的施加,需要人为指定权系数、主从节点之间的自由度关系。rbe3施加了一个分布力,没有引入额外的刚度,相反把原有的刚度遗漏了。并且该方法载荷同节点的距离发生关系,会导致变形比理论值偏大;mpc184多点约束单元同样需要配合mass21单元[9],该方法荷载分布和节点的距离没有关系,但是对大规模问题而言需要利用APDL进行单元的自动生成;cerig命令定义了一个刚性面,无形中增强了结构刚度。
因此本文提出基于接触单元的扭矩施加法,该方法采用接触单元既不需要配合使用其他的单元,又不会造成应力集中,且容易掌握不易出错,是ANSYS中扭矩施加的一种很好的方法。
参考文献
[1]许平,高利,孙东明,董为民.ANSYS软件中扭矩施加方法的研究[J].机电产品开发与创新,2006(11):172-173.
[2]姜广彬,崔学政.ANSYS中的扭矩分析[J].电子机械工程,2005(6):57-59.
[3]张琪,刘莉.导弹固有特性的有限元分析[J].弹箭与制导学报,2008(4):6-8.
[4]吕毅宁,吕振华.焊点连接模型对结构刚度的有限元模拟精度的影响分析[J].工程力学,2009(10):171-176.
[5]ANSYS 11.0 Documentation[Z].
[6]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[7]张应迁,张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[8]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程-机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.
非接触法 篇5
介绍了采用电化学-生物接触氧化法处理多层线路板废水的工程应用实例.运行结果表明该工艺Cu2+的去除率在99%以上,CODCr的去除率在87%以上,操作简单,运行稳定,处理出水稳定达标.
作 者：黄得兵 赵永红 岳铁荣 作者单位：黄得兵(中鼎集团新鼎信息技术,上海,有限公司,上海,37)
赵永红(江西理工大学,赣州,341000)
岳铁荣(鄂州市环保局,湖北,436000)
刊 名：环境工程 ISTIC PKU英文刊名：ENVIRONMENTAL ENGINEERING 年，卷(期)： 23(2) 分类号：X7 关键词：电化学技术 生物接触氧化法 多层线路板废水 酸化处理 管线混凝
非接触法 篇6
LED灯在隧道照明及显示屏等方面有着广泛应用。目前LED灯采用传统的导线、插头和插座等电连接器供电，易沾灰、易受腐蚀，使用受到限制。若采用非接触方式供电，这些问题就可以迎刃而解。
电磁感应耦合式CPT技术是目前比较有效、研究广泛、相对成熟的无线电能传输方案。它是一种近距离的无线电能传输技术，根据传输设备的不同，又可分为电场耦合式和磁场耦合式。
电场耦合式利用平板电容器，通过在电容器一侧的极板上施加高频电压，使极板间形成感应电场，实现电能在平板电容器间的传输。磁场耦合式利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的线圈，从而将能量传递给负载。
由于磁场耦合会受金属导体屏蔽的影响，限制了金属环境中LED灯的使用，所以我们采用电场耦合非接触传输方式为LED灯提供电源。
一、基于电容耦合的非接触电能传输系统
基于电容耦合的非接触电能传输系统如图1所示。首先对工频电源进行整流滤波获得直流电源;然后经过高频逆变器变换成高频交变电压，并将该电压作为两对平行板电容器的原边极板的输入电压;由于平板电容器的原、副边极板间的电位差，形成交变感应电场，从而形成位移电流，实现电能在电容器极板间的非接触传输;最后通过高频整流滤波电路为LED灯提供电源。
电容耦合式非接触电能传输系统的电路拓扑图如图2所示。其中S1-S4为MOSFET开关，D1-D4为反并联二极管，C1-C4为缓冲电容，L1、L2为补偿电感，RL为负载电阻，输出电流为i0，输出电压为u0。电路中的全桥逆变器采用移相PWM控制，S1和S2构成超前桥臂，S3和S4构成滞后桥臂，每组桥臂的两个MOSFET开关管互补导通。
二、LED灯系统设计
基于电容耦合的非接触电能传输LED灯系统原边电路拓扑结构如图3所示。其中D1-D4为二极管，构成全桥整流电路，将220V工频交流电源转换为直流电源;C1为滤波电容。S1-S4为MOSFET开关，每个MOSFET开关管两端并联一组二极管电容，用于吸收冲击电压。
副边电路利用耦合电容，将高频交变电源耦合到副边极板。再利用全桥整流滤波电路，将交变电源转换为直流电源。最后经振荡器，产生振荡电路，用于不同颜色的LED灯闪烁。
三、结论
非接触法 篇7
接触网(供电电压27.5 k V,离地高度6 m~7 m纯铜导线)作为电气化铁路中主要的供电装置,在运行过程中,通过与受电弓滑板的滑动接触,源源不断地供给机车负载电流。运行中的接触网要承受电力机车以一定的压力高速接触摩擦,且有时通过接触网的电流高达1 000 A以上,再加上昼夜不停地处在振动、摩擦、电弧、污染、伸缩的动态运行状态之中,接触线将不断地被磨耗,截面逐渐减小。当磨耗达到一定限度时,接触线的强度及载流量都要下降,甚至可能断线[1]。特别是电气化铁道逐步提速,接触网磨耗加快,其发生故障的可能性进一步增大。
基于表面温度法的接触线磨耗的红外诊断正是判断接触线磨耗程度、决策补强或更新的重要依据[2]。基于此,本研究开展了相关的研究,并证明了该方法的可用性。
1 接触线磨耗检测方法研究
1.1 传统接触线磨耗检测
接触线制成上部带沟槽的圆柱状,如图1(a)所示。图1(a)中,沟槽是为了便于安装接触线的线夹,接触线底面与受电弓接触的部分呈圆弧状。电力机车在运行过程中,接触导线磨耗是由于受电弓滑板和接触导线之间的机械磨损以及电气磨损产生的。接触导线磨耗引起导线下部截面变化,如图1(b)中阴影部分所示。
接触线的磨耗会影响到接触线的强度安全系数,运营中,要求每年至少进行一次接触线磨耗测量,当接触线磨耗达到一定限度时应局部补强或更换[3]。
从20世纪70年代初开始,国外主要以电气化铁路为主的发达国家投入大量人力、物力进行接触线磨耗检测装置的开发,并试制出了实用的检测装置。按检测方式不同,各类型的检测装置的分类如表1所示[4]。
目前,国内一般采用接触式(游标卡尺)和非接触式两种方法(激光扫描测量、CCD成像测量)对接触线几何参数进行测量。其中接触式测量磨耗要在断电的情况下利用游标卡尺,测量接触线的残存高度,然后对照该型号接触线磨耗换算表,查出磨耗面积(磨掉的截面积)。这种方式工人劳动强度增大,而且检测周期长,采集数据少,不能完全反映导线的磨耗情况;而非接触式测量如CCD成像测量,是通过对接触导线合理照明,采用图像处理分析的方法得到接触线在CCD上的成像位置,从而计算出接触导线的磨耗。这种方式成本较高、计算复杂、受环境因素影响较大[5,6]。
综上所述,上述这些方法都无法满足铁路提速对接触网运行状态检测的迫切需要,为此笔者提出了基于表面温度法的红外诊断方法来检测接触线磨耗情况。
1.2 接触线磨耗的红外检测
红外诊断的相对温差法,是通过分析相对温差与接触电阻的变化关系,来确定电力设备的温升。该方法克服了环境因素及负荷波动等对测量结果的影响,对电力设备的红外诊断具有指导性[7],但是对于接触线的红外检测,该方法存在忽略考虑太阳辐射引起的附加温升、小温升误差大、接触线磨耗定位难等不足[8]。
表面温度法可利用发热点的表面温度来判断磨耗程度,这种方法简单、直观、实用性较强。通过拍摄接触线表面温度图像,可直观地反映出接触线温度场的分布情况。本研究根据接触线的表面温度、结构参数、物性参数和环境温度建立接触线温升的数学模型,对接触线的电阻进行反演计算,可得出接触线横截面积,并与其允许磨耗进行比较,最终实现接触线磨耗的非接触在线诊断[9,10]。
2 接触线温升的数学模型
对于接触线来说,在交变电场作用下,热源主要是载流线芯发热。在建立数学模型前,首先要进行一些假设:
(1)稳态假设:接触线表面与空气自然对流传热,当发热与散热达到热平衡时,温度分布不随时间变化;
(2)常物性假设:构成接触线的材料的物性参数为常数;
(3)接触线通过电流后均匀发热,单位时间热源均布;
(4)由于接触线无限长,且通过相同的电流,可忽略其轴向传热[11];
(5)将截面等效为相同面积的圆形。
在稳态条件下,接触线线芯的发热速率等于接触线表面与环境交换热量的速率。导体稳态运行时可得到稳态电流[12],其计算公式如下:
式中:RT—工作温度下的接触线单位长度交流电阻,Ω/m;pr—单位时间单位长度的辐射热损耗,W/m;pc—单位时间单位长度的对流散热损耗,W/m;ps—单位时间单位长度的太阳辐射热,W/m。
根据黑体辐射的基本定律(普朗克定律、斯忒藩—玻耳兹曼定律、兰贝特定律),接触线表面向周围空间辐射的热损耗可由下式计算:
式中:σ—斯蒂芬—波尔兹曼常数,W·m-2·K-4;D—接触线直径,m;ke—黑体辐射系数(即黑度,与材料种类及其温度和表面状况有关);Te—接触线稳态温度,K;T0—环境温度,K。
根据对流换热的基本定律(牛顿冷却定律),由于自然风的存在,强迫对流散热发出的热损耗可由下式计算:
式中:λ—与导体相接触的空气膜导热系数;Nu—欧拉数。
当无风无日照条件下,自然对流下导体的散热量为:
当存在日照时,导体吸收的太阳辐射热可由下式计算:
式中:γ—导体的吸热系数;Si—日照强度,W/m2。
工作温度下接触线单位长度的交流电阻为:
式中:RT—工作温度下接触线的交流电阻,Ω/m;Rd—工作温度下接触线的直流电阻,Ω/m;Ys—集肤效应因数;R20—20℃时导体的直流电阻,Ω/m;ρ20—20℃时材料的电阻率,Ω·m2/m;α20—20℃时材料的温度系数;s—接触线横截面积,m2。
根据上述数学计算式(1)~式(6),求解可得出温度与横截面积的关系为:
若外界无风,式中:
若外界有风,式中:
式(7)~式(9)中:常量σ=5.67×10-8,λ=0.025 85;而Te、T0、γ、si、v、D、ρ20、α20、ke、I为与测量过程相关的环境参量。下面将通过红外实验,对环境参量进行测量。
3 实验研究
实验设备包括导线加载装置、FLIR A40红外热像仪、数字式热电偶温度计、数字式室内温度计、调压器、调节变阻器和交流电流/电压表。
以纯铜裸导线(直径D=2 mm)为例,本研究利用红外热像仪测量有无磨耗时导线表面的温度分布,进而诊断导线的磨耗程度。导线存在不同程度的局部磨耗,磨耗比例分别为20%、30%、40%、50%、55%。
本研究在导线上加载不同的单相交流电,待导线处于热平衡状态(温度不随时间变化)时,分别用温度计测量环境温度,用红外热像仪扫描导线磨耗部位,读取磨耗部位的表面温度值。温度值数据如表2所示。该实验中环境参量值如表3所示。
不同电流和不同磨耗比例时磨耗部位温升分布如图3所示。由图3可以看出,随着电流的增大以及磨耗程度的增强,磨耗部位的温度升高,并且图3中各种情况下的温差均高于热像仪的最小分辨温差0.1℃。由此可见,通过热像仪扫描检测接触线的磨耗情况是可行的。实验记录导线磨耗处的可见光图与热像仪的红外图如图4所示。
通过测量表面温度诊断出的导线磨耗程度与实际磨耗程度的比较结果如表4所示。从表4的结果中可以发现最大误差不超过10%,证明了所建立的温升数学模型和诊断方法可满足工程设计的需要。
在实际应用中,在列车运行过后,可利用红外热像仪扫描接触线,记录表面温度与环境温度,同时从牵引变电所调出测量当时的电流数据,再记录外界日照强度、风速,最后利用式(7)~式(9),求出接触线的横截面积,与无磨耗的接触线横截面积作比,即可得出磨耗比例,实现接触线磨耗的非接触在线诊断。
根据标准规定,全锚段接触线平均磨耗超过该型号接触线截面积的20%时应全部更换,局部磨耗超过30%时可进行补强,当局部磨耗达到40%时应切换做接头。
4 结束语
(1)红外诊断方法可实现利用表面温度检测接触线磨耗程度,实现了对接触线磨耗进行非接触式、实时的在线诊断,突破了传统的接触式检测技术的局限性,对及时发现接触线的烧伤磨耗隐患,具有非常重要的意义。
内氧化法制备银氧化锡电接触材料 篇8
Ag Sn O2电接触材料是近年发展较快的一种无毒无害的新型银金属氧化物电接触材料[1], 其具有优良的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性、良好的热稳定性和耐磨损性、较好的抗材料转移能力, 目前在交直流接触器、功率继电器和低压断路器等领域已经部分或全部取代了有毒的Ag Cd O材料[2~5]。但是, Ag Sn O2电接触材料在制备和实际使用过程中还存在一些问题, 如接触电阻不稳定、温升高、室温塑性和延展性差、材料不易加工成形等, 这些问题极大地限制了Ag Sn O2电接触材料的实际应用且增加了研究难度[6~10]。为此, 国内外的电接触材料研究者一直都在研究如何通过改进制备工艺、改善Sn O2颗粒与Ag界面的浸润性和加入添加剂来解决上述问题[11~15]。
Ag Sn O2电接触材料性能的优劣与制备工艺密切相关, 所选择的制备方法既影响其力学、电学性能, 又影响其接触性能, 如接触电阻、温升和抗熔焊特性等。Ag Sn O2电接触材料的主要制备方法有传统的粉末冶金法和内氧化法[16~20]。传统的粉末冶金法工艺是将银粉和Sn O2粉机械混合, 再通过压制成形、烧结、挤压等手段获得Ag Sn O2电接触材料。该法优点在于可根据特殊性能要求任意改变添加剂的类型与数量;所得的电接触材料组织结构均匀。但是粉末冶金法容易在材料中引入外来杂质;若Sn O2颗粒粒度较大, 会造成接触电阻大、温升高、耐电弧烧蚀性能较差;若混合不均匀, 易出现粉末团聚, 造成材料的力学物理性能和电性能劣化。
内氧化法是将固溶体合金在O2气氛下进行热处理, 使溶质元素形成氧化物颗粒, 并均匀地分布在合金基体金属中, 获得金属基氧化颗粒复合材料的一种工艺方法。采用内氧化法制备的Ag Sn O2电接触材料具有Sn O2颗粒细小、晶粒结构微细、强度硬度较高、耐电弧烧蚀性能和抗熔焊性能优异等特性[21~26]。但是该法制备的材料若本身组织不均匀, 氧化后基体易出现贫氧化物带和氧化物聚集, 甚至出现夹杂和气孔等组织缺陷。采用多层复合、单面内氧化、添加元素、提高内氧化速度、细化氧化物粒子、增加氧化物在银基体中的弥散程度等方法可以消除上述组织缺陷。
2 Ag-Sn合金内氧化热力学
在Ag-Sn合金氧化过程中, O2溶解到合金相中, 并在合金相中扩散, 合金中较活泼的Sn与O发生反应, 在合金内部生成Sn O2颗粒, 这个过程定义为Ag-Sn合金内氧化。由化学反应热力学可知, 内氧化首先是择优氧化, 对于Ag-Sn合金, 择优氧化包括Ag不氧化和Sn氧化两个方面。氧化温度T和氧分压PO2是控制目标氧化物分解和形成的关键因素。计算Ag-Sn合金发生内氧化的上、下限临界氧分压的相关氧化反应如下[27,28]:
根据吉布斯自由能函数ΔG=ΔGθ+2.303RTlg Qp, 其中R为气体摩尔常数, 取R=8.314 J/ (mol·K) ;Qp为气体分压商, 是一比值, 无量纲;ΔGθ为氧化反应的标准吉布斯自由能;T为氧化温度。令ΔG=0, 则有:lg Qp=-ΔGθ/2.303RT。
对于反应 (1) , 分压商为:
同理, 得出:
由上面的计算结果得出, 一定氧化温度下, Ag-Sn合金实现择优氧化并生成单一氧化物Sn O2, 存在一个由式 (6) 和式 (7) 决定的上限临界氧分压与下限临界氧分压。据此可绘出Ag-Sn合金的氧化热力学条件区位图, 如图1所示。
由图1可知, 在相同温度下, Ag、Sn元素生成氧化物由易到难依次为:, 相应生成的氧化物的稳定性顺序为:Sn O2>Sn O>Ag2O。因此, 通过合理控制氧化温度与氧分压条件, 就能够实现Sn元素发生氧化反应而Ag元素不被氧化, 即Ag-Sn合金体系实现内氧化在热力学上是可行的。但应特别注意避免Sn O相的形成, 该相的氧分压由公式 (6) 所确定。基于式 (6) 和式 (7) , 可以得出Ag-Sn合金内氧化生成Ag Sn O2材料的内氧化的临界热力学条件为。例如, 内氧化温度为600℃ (873.15K) , 将该温度代入式 (6) 得氧分压的上限临界值为-2.875, 代入式 (7) 得氧分压的下限临界值为-23.972, 只要调节气氛中氧分压的对数值处于[-23.972, -2.875]区间内, 就可实现Ag-Sn合金的内氧化, 从而制得Ag Sn O2材料。
3 内氧化时Sn O2颗粒的形核、长大和粗化过程
用粉末冶金法将Ag-Sn合金粉末在一定压力下压制成形, 使压坯具有约90%的相对密度, 得到孔隙率约为10%的多孔体, 然后在大气气氛条件下于箱式电阻炉中内氧化。由于材料中存在一定量的间隙, O元素才得以畅通地渗入, 从而更加充分吸附在合金粉末表面, 体系的氧分压将始终保持大气气氛中O的分压。内氧化时Sn O2颗粒的形核、长大和粗化过程如下所述, 其示意图如图2所示。
3.1 O的吸附
当大气中的O2分子通过材料间隙到达合金粉末表面时, 便吸附在合金粉末表面, 吸附的O2分子在一定的氧化温度下再分解成吸附O原子, O的吸附过程如下:
3.2 Sn O2颗粒的形核
吸附O原子通过体扩散和短路扩散进入到Ag-Sn合金粉末内部, 同时Sn原子由合金内部向表面扩散 (Sn原子向外扩散的速度远小于O向内扩散的速度) , 进而在反应前沿建立起脱溶形核的临界积[N (Sn) ·N (O) ], 发生Sn O2颗粒的脱溶形核。
3.3 Sn O2颗粒的长大
Sn O2颗粒脱溶形核后, Sn原子和O原子继续在已形核的Sn O2颗粒表面聚集, 导致Sn O2颗粒的初次长大, 直到反应前沿向前移动并且Sn原子供应不足为止。此时, 该微区域的颗粒停止长大。然后, O原子继续向粉末内部扩散, 反应前沿继续推进直到Ag-Sn合金粉末中所有Sn全部被氧化为止。
3.4 Sn O2颗粒的粗化
Sn O2颗粒的粗化过程主要分为3个阶段。首先, Sn O2颗粒溶入到银基体中, 重新变为Sn原子和O原子;其次, Sn原子和O原子在银基体中发生扩散;最后, Sn原子和O原子在相对较大的Sn O2颗粒表面聚集长大。因此, Sn O2颗粒的粗化实质上是Ostwald熟化, 即一些大尺寸的Sn O2颗粒出现长大, 而小尺寸的则发生萎缩, 脱溶形成的Sn O2颗粒发生竞争性长大。若Ag-Sn合金内氧化在较低温度下进行, 则Ostwald熟化进程较慢, 完成内氧化所需时间较长, 会导致已形成的Sn O2颗粒数量减少, 颗粒尺寸增大;若内氧化在较高温度下进行, 则Ostwald熟化进程较快, 会发生Sn O2颗粒的急剧粗化。
因此, 选择合适的内氧化温度, 才能制备出具有Sn O2颗粒细小、晶粒结构微细、性能优异的Ag Sn O2电接触材料[29,30]。
4 内氧化法制备Ag Sn O2电接触材料的组织与性能
本试验提出了一种采用合金粉末成形-内氧化-热挤压复合工艺制备Ag Sn O2电接触材料的新工艺。具体工艺流程为Ag-Sn合金真空雾化制粉→模压预成形 (保留约10%孔隙率) →内氧化处理 (内氧化温度800℃/2.5 h) →复压→热挤压 (温度850℃) →ϕ10 mm的丝材。该复合新工艺制得的Ag Sn O2 (12) 电接触材料的显微组织照片见图3, 性能见表1。
由图3可见, 内氧化新工艺制得的Ag Sn O2 (12) 材料组织均匀, Sn O2颗粒细小, 呈近球形弥散分布于银基体中, 未见明显颗粒团聚、夹杂、气孔等组织缺陷。从表1可以看出, 所得Ag Sn O2 (12) 材料强度硬度较高, 塑性较好, 电阻率较低, 具有优异的综合性能。
5 结束语
Ag Sn O2电接触材料作为最具发展潜力的替代Ag Cd O的新型复合材料, 在继电器、微动开关、接触器、断路器等领域具有广泛的应用前景。内氧化法是目前国内外规模化生产Ag Sn O2系列电接触材料研究的一个最为活跃的方向。本文提出的合金粉末成形-内氧化-热挤压复合新工艺, 对改善Sn O2颗粒在银基体中的弥散分布、提高其室温塑性具有积极作用, 有望成为一种工业化生产高品质Ag Sn O2电接触材料的制备方法。同时, 随着Ag Sn O2电接触材料应用领域的不断拓展和使用要求的不断提高, 其力学和电学性能也还有待进一步增强。今后对该类电接触材料的研究将围绕内氧化微观机制、Ag与Sn O2界面润湿性改善、简化制备工艺等方面来开展。
摘要：AgSnO2电接触材料具有优良的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性, 在交直流接触器、功率继电器和低压断路器等领域已经部分或全部取代了AgCdO材料。内氧化法是制造AgSnO2电接触材料工艺最成熟、应用最广泛的一种方法。本文计算了Ag-Sn合金的内氧化热力学条件参数, 论述了内氧化过程中SnO2颗粒的形核、长大和粗化过程, 并采用合金粉末成形-内氧化-热挤压新工艺制备了SnO2颗粒细小弥散、性能优越的AgSnO2电接触材料。
非接触法 篇9
低温低浊度水的处理比较难以把握, 由于这类原水中的悬浮物质较少, 采用常规的处理方法, 絮凝时无法形成大的絮体, 造成沉淀和过滤的效果不好, 从而使得处理的效果不理想, 出水不能达到生活用水标准, 所以低温低浊度水一直是给水处理中的一个难题。对于低温低浊度水的温度和浊度范围, 没有相应的规范和标准给以确切的规定。一般认为浊度低于50 NTU, 温度低于10 ℃为低温低浊度水[1]。为了提高低温低浊度水的处理效果, 研究者们采用了投加高岭土提高浊度、增加絮凝剂的投加量、采用新型的絮凝剂、改变絮凝沉淀池结构以及研究新型的过滤和絮凝方法等办法。这些方法都有一定的局限性。
2 研究目的
现阶段针对低温低浊度水的处理研究和使用较多的工艺为:泥渣回流法、气浮法、微絮凝接触过滤法、微涡旋混凝低脉动沉淀技术、活性砂絮凝工艺。其中接触过滤法是中国市政工程东北设计院于20世纪70年代中期开始采用的。从最初的三层滤料和双层滤料到后来的单层滤料, 都取得了较好的效果[2]。这种工艺是直接投加混凝剂到原水中, 然后投加助凝剂, 再直接进入滤池过滤。原理是利用由于滤料分层和过滤一段时间后形成的较小空隙上层滤料表层, 以及滤料和吸附在滤料表面絮体的化学性质, 提高对低温低浊度水中微絮体吸附和截留效果。这种工艺要求水中的絮体与滤料进行充分接触, 滤料间的空隙足够小, 才能保证处理效果[3,4]。针对这种工艺的研究中仍然有很多不尽人意的地方:滤料板结严重、混凝剂投加量没有量化标准所以无法把握, 因此处理效果随水质变化波动较大;同时对适应于不同水质的最佳滤速的研究不够, 所以没有得到最佳的处理效果, 滤池的各个参数影响不明确, 不利于工艺的优化。为了得到最适合的运行参数, 从而获得最佳的处理效果, 通过改变滤速和絮凝剂投加量, 监测处理效果的变化, 来研究滤速和絮凝剂投加对处理效率的影响。
3 研究方法
影响因素有絮凝剂的投加量和滤速。处理效率由出水与相对进水的浊度、浊度的去除率来确定。计算处理效率以水头损失为0.5 m时, 进出水水质稳定1 h后开始检测, 连续检测4 h。每半小时取样1次, 共取样8次的平均值为准。浊度的检测方法采用可见光分光光度计法检测。同时检测滤料层的堵塞程度用滤料层水头损失从0.5 m增加到2 m时总共处理的水量, 用单位滤料处理水量来表示。其中实验时的气温为10 ℃。
研究采用的原水取自广东清远县北江河。原水旱季平均水质见表1。
絮凝反应池中投加的絮凝剂为PAC。采用双层滤料:无烟煤厚300 mm, 粒径0.8 mm～1.8 mm, 不均匀系数小于2.0;石英砂厚400 mm, 粒径0.5 mm～1.2 mm, 不均匀系数小于2.0。
快滤池直接过滤法工艺流程:进水→絮凝反应→快滤→出水。
实验分为两个部分:
1) 保持滤速为8 m/h, 絮凝剂的投加量分别为5 mg/L, 10 mg/L, 15 mg/L, 20 mg/L和25 mg/L时, 研究直接过滤对浊度的去除效果。
2) 保持絮凝剂的投加量为10 mg/L, 滤速为4 m/h, 8 m/h, 12 m/h, 16 m/h和20 m/h时, 研究滤速对浊度的去除效果的影响。
4 实验结果与讨论
当絮凝剂投加量为10 mg/L, 滤速为8 m/h时, SS去除效率大于70%, 处理效果较好。改变絮凝剂的投加量对SS去除率和对单位体积滤料处理能力的影响见图1, 改变滤池的滤速对SS去除率和对单位体积滤料处理能力的影响见图2。
从图1中可以得到, 随着絮凝剂的投加, SS的去除效率提高。当絮凝剂投加量超过10 mg/L时, 对SS的去除效果的影响比絮凝剂投加量小于10 mg/L时要小。增加絮凝剂的投加量在提高SS处理效率的同时也造成单位体积滤料处理水量的大幅减少。其中当絮凝剂的投加量从10 mg/L增加到15 mg/L时, SS的去除效率从73%增加到75%, 提高幅度为2%, 单位体积滤料的处理能力从131 m3/m3减小到123 m3/m3, 减小幅度达到6%, 可见依靠增加絮凝剂投加量来提高SS处理效果会大大加快滤料的失效周期, 从而大大缩短反冲洗周期, 不利于滤池的运行。
从图2中可以得到, 随着滤速的提高, SS的去除率明显下降。这是因为滤速的增加, 使得水与滤料的相对速度增加, 剪切力增大, 不利于微絮体在滤料表面的附着, 还会增加絮体从滤料上剥落, 所以增加滤速会降低SS的处理效果。随着滤速的增加, 单位滤料的处理能力大幅的增加。
5 结语
为了研究采用投加絮凝剂后直接过滤的方法来处理低温低浊度水的处理效果以及滤速和絮凝剂的投加量对SS的去除率和滤料堵塞程度的影响, 利用滤料为砂和活性炭的快滤池作为试验对象。研究结果表明该种方法的处理效果较好, 当滤速保持在8 m/h, 气温为10 ℃, 絮凝剂投加量为10 mg/L时, SS的去除率大于70%。
用提高絮凝剂投加量的方法可以提高SS的去除率, 但是当絮凝剂投加量大于10 mg/L时, 所取得的效果不明显, 反而会大大加快滤料的堵塞速度, 所以应控制絮凝剂的投加量在10 mg/L或者略高于10 mg/L。
增加滤速时, SS的去除率略微减小。相对于滤料处理能力的增加, 滤速对SS的去除率的影响较小, 所以为了提高接触过滤法的处理能力, 减小投资可以采用适当提高滤速的方法。滤速应该考虑出水水质所决定的SS去除率, 保持在8 m/h～16 m/h。
摘要：以快滤池作为实验对象滤速和絮凝剂的投加量, 检测SS去除率和滤料的单位处理能力的变化, 结果表明:接触过滤法对SS的去除效果较好, 去除率大于70%, 可以将絮凝剂投加量控制在10 mg/L, 适当提高滤速来提高接触过滤法的处理能力和处理效果。
关键词：低温低浊度水,接触过滤,滤速,絮凝剂
参考文献
[1]赫俊国, 宋学峰, 金昌锦, 等.微涡旋混凝低脉动沉淀技术处理低温低浊水[J].给水排水, 1999 (4) :12-15.
[2]张雍.微絮凝接触过滤工艺处理低温低浊度水[J].给水排水, 1980 (2) :20-24.
[3]陈忠林, 马军, 王东田, 等.松花江低温低浊度时期的强化混凝生产性试验[J].哈尔滨建筑大学学报, 1996, 29 (5) :73-77.
非接触法 篇10
笔者以配水模拟生活污水,研究间歇式生物接触氧化反应器对去除有机物及氨氮效果的影响,为该工艺在污水处理中的应用提供实验依据。
1试验材料与方法
1.1试验装置
本试验采用的处理工艺流程:进水—三级生物接触氧化池—沉淀池(排泥)—出水。反应器由厚0.5cm的有机玻璃加工制作而成,接触氧化区总有效容积6.69L。主反应器共分四格,第一、二、三格为接触氧化区(挂有试验所用立体弹性填料),第四格为沉淀区(设出水堰),试验装置如图1所示。
1.2试验水质
试验用水采用模拟生活污水,水质情况见表1。
1.3试验方法与内容
试验采用间歇进水、间歇曝气的运行方式,分为2个阶段研究。阶段Ⅰ累计曝气时间恒定为4h,水力停留时间分别为72h(进水量2.3l/d,24h进水1次)、36h(进水量4.5l/d,24h进水2次)、24h(进水量6.7l/d,24h进水3次)和12h(进水量13.4l/d,24h进水6次);阶段Ⅱ水力停留时间为24h(进水量6.7/d,24h进水3次),累计曝气时间为4 h、8h和12h。两阶段进水方式均为每次进水持续1h,24h等间隔进水;曝气方式均为每次曝气1h,24h内等间隔曝气。每次变更试验参数后运行8 d,试验期间水温在21~25℃之间。
1.4取样分析方法
CODCr、NH4+-N、p H等指标按文献的标准方法测定,水温采用水银温度计测定。
2结果与讨论
试验选取稳定运行时的数据进行分析,考虑到在实际工程的运行中,生物接触氧化技术主要用于去除污水中有机质和氨氮,本文把CODCr和氨氮作为主要水质考察指标进行分析。
2.1反应器的启动
试验所用的接种污泥来自污水处理厂氧化沟末端的活性污泥,经沉淀静置后去掉上清液加入反应器,注入人工配制模拟生活污水,进行污泥的连续培养、驯化。反应器中的DO保持在3.0~4.0mg/L左右。挂膜方式为:将一定量的接种污泥倒入反应器,配好的原水(按BOD5:N:P=100:5:1配制)少量连续的加入反应器,同时进行少量曝气,出水经沉淀池沉淀后排出。从开始驯化到挂膜培养的10d内,可以观察到填料上生物膜厚度不断增加,其颜色也逐渐变为棕褐色,镜检生物膜可以观察大量原生和后生动物,同时,反应器的出水较清澈,出水中的悬浮物较少。取样测定COD的去除率变化不大(见表2),这些可说明生物膜的培养驯化已经成熟。
2.2对COD的去除效果
试验期间进水COD值为:188.8~549.2 mg/L,COD平均值为332.2mg/L,从挂膜成熟系统稳定运行开始进行水质分析,测定反应器进水和出水的COD,通过调节进水流量来改变水力停留时间,阶段Ⅰ、阶段Ⅱ条件下的COD去除效果列入表3、表4。图2、图3分别为阶段Ⅰ和阶段ⅡCOD进水值、出水值以及去除率随HRT及曝气时间的变化趋势。
从表3及图2可知,该工艺采用间歇进水、间歇曝气的运行方式,对于降解有机物的微生物而言,食料和空气都是间断供应的。随着负荷和供氧状况的变化,微生物降解有机物的作用受到抑制一定程度上影响有机物的去除效果。但生物接触氧化法反应器中的生物量较活性污泥法工艺要多,这也使该工艺可以在低HRT条件下实现对水中有机物的良好去除。由表3和图3可以看出,当HRT恒定为24h,反应器间歇运行时,曝气时间从4h增加至12h,出水COD降低程度不太显著,分析其原因主要是生物膜上的微生物种类丰富,反应器分段运行,每段都繁衍本段进水水质相适应的微生物,因此曝气时间对COD去除效果的影响有限。
2.3对NH4+-N的去除效果
试验期间进水NH4+-N值为24.7~39.8 mg/L,平均值为31.8 mg/L。阶段Ⅰ、阶段Ⅱ条件下的NH4+-N去除效果列入表5、表6。图4、图5分别为阶段Ⅰ、阶段ⅡNH4+-N进水值、出水值以及去除率随HRT和曝气时间的变化趋势。
工艺采用间歇运行能造成反应池中出现周期性的好氧、缺氧和厌氧环境,在曝气时段,反应器中溶解氧可达3~4mg/L,硝化菌将氨态氮氧化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,停止曝气初期,溶解氧被消耗导致其浓度迅速下降并接近于零。此时反应池出现缺氧状态,微生物可利用有机物为供氢体使硝态氮反硝化,还原为N2或Nx Oy后排入大气。从表4及图4可知,当曝气时间为4h时,NH4+-N的去除率始终维持在较低水平,尤其是HRT为12h时,出水NH4+-N>25mg/L,其浓度已达超出国家污水综合排放标准的二级标准。当HRT恒定为24h时,NH4+-N的去除效果则随曝气时间的增加而增加,曝气时间对NH4+-N的出去效果影响显著。
3结论
1)试验研究表明:采用生物接触氧化法间歇运行处理生活污水污水是可行的,当24h进水3次,进水量6.7l/d,HRT为24h、累计曝气时间为12h时,出水COD、NH4+-N平均浓度分别为56.7mg/L和14.5mg/L,其处理效果满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级B标准。
2)若考虑降低能耗,节约污水处理成本,间歇运行的生物接触氧化工艺可采用HRT为24h、累计曝气时间为4h,此时出水COD、NH4+-N平均浓度分别为61.8 mg/L和23.1mg/L,指标均可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的二级标准。
3)间歇运行的生物接触氧化工艺对于处理间断排放、低负荷生活污水的处理比连续运行工艺可节约一定的运行费用,对节能工艺的开发具有积极的指导意义。
摘要：通过研究生物接触氧化法的间歇运行方式在不同HRT和不同曝气时间下COD、NH4+-N去除情况,试验结果表明:当24h进水3次,进水量6.7l/d,HRT为24h、累计曝气时间为12h时,出水COD、NH4+-N平均浓度分别为56.7mg/L和14.5mg/L,其处理效果满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级B标准。间歇运行可大幅减少污水处理成本,为节能工艺的开发提供了试验依据。
关键词：间歇运行,生物接触氧化,污水处理
参考文献
[1]隋丽丽,梁文艳等.混合填料生物接触氧化法处理生活污水的研究[J].环境科学与技术2011,12(12):101-104.
[2]陈志莉,易其臻等.生物接触氧化法处理船舶生活污水的中试[J].云南农业大学学报,2009.12(6):882-885.
[3]李亚峰,高颖.气浮-水解酸化-生物接触氧化-气浮工艺处理造纸废水工程实例,水处理技术[J].40(9):128-130.
[4]成世坤,梁类钧等.生物接触氧化工艺对印染废水的处理效果,中国水运[J].第12(3):254-26.
[5]陈汉辉,孙国胜.生物接触氧化法处理微污染源水的研究进展与应用[J].环境污染治理技术与设备2000,1(3):55-59.
[6]肖羽堂,许建华.姚江饮用水源生化工艺除污染总结[J].中国给水排水1998,22(4):11-13.
[7]张自杰.排水工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2000,6.
[8]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京:中国环境科学出版社,1997.
[9]李亚峰,李大起等.水解酸化-两端生物接触氧化工艺处理城市生活污水[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)2009,25(6):1131-1135.
[10]邱光磊,程建光等生物接触氧化工艺用于分散型污水处理的中试[J].中国给水排水2007,23(5):78-81.
非接触法 篇11
应用有限元法分析金属成形过程时会遇到因网格畸变严重而致使计算中止的问题[1]。基于点近似的无网格法[2,3,4,5]因无需网格重划分、能有效地分析大变形过程而获得广泛应用并得到了迅速发展。EFGM (element-free Galerkin method) 、RKPM (reproducing kernel particle method) 和MLPG (meshless local Petrov-Galerkin approach) 是三种主要的被成功用于金属成形分析领域的无网格方法[6,7,8,9,10]。
综观无网格法在金属塑性成形领域内的应用研究水平, 整体上还处于对方法有效性的验证这一层面, 涉及的接触界面都是较简单的, 如平面、柱面等解析曲面, 对任意曲面形状接触界面的工况鲜有研究和讨论。刘永辉等[11]采用有限元网格法描述任意曲面形状模具型腔, 探讨了接触界面动态处理涉及的内容, 但未给出接触搜索算法, 也没有涉及算法效率;Kalilou[12]提出了“点到块”接触搜索算法, 由一体化算法得到测试对, 再通过比较相关矢量确定接触对, 该算法在提高处理速度方面的优势不明显。
为此, 本文重点研究任意形状接触界面处理算法, 提出了一种新的适用于无网格法的接触区域快速搜索算法——投影子域法, 结合罚函数法, 实现了接触界面约束力模型的建立。
为能预测产品缺陷和优化成形工艺, 本文使用EFGM法建立工件基于有限变形弹塑性材料模型控制方程的数值离散形式, 利用显式技术求解, 实现EFGM在任意形状接触界面金属成形分析中的应用。算例结果证明了本文所提出方法的正确性和高效性。
1 接触问题的一般描述
1.1接触问题概述
无网格法分析中处理接触问题主要涉及两个方面[13]:接触区域搜索和接触力计算。在进行接触搜索前, 工件中节点的相关量包括位置坐标都已经更新, 模具位置也已经刷新。
准确有效地描述模具型腔的几何形状是进行接触搜索的前提。有限元网格法是目前成形仿真中描述模具型腔几何形状的主流方法[14], 它将连续的模具型腔曲面离散成一定数量的空间平面三角形或者四边形。本文采用这一主流方法描述模具型腔的几何形状。
1.2接触界面上的约束力模型
如图1a所示, A和B是两个处于接触状态的物体[15], 记A占据的空间域为ΩA, 边界为ΓA;B占据的空间域为ΩB, 边界为ΓB。记A和B处于接触状态的共同边界为ΓC, 则有ΓC=ΓA∩ΓB。
金属塑性成形中, 模具一般被视为刚体, 不发生变形, 工件在模具的作用下发生塑性变形。将A作为模具, 其边界ΓA称为主接触面, ΓA的离散面片称为主接触块;将B作为工件, 其边界ΓB称为从接触面, ΓB上的离散节点称为从接触点。
如图1b所示, A和B发生了穿透。对B边界上的一点P (其坐标为XP) , 如果该点穿透A的表面到达A的内部, 则可以定义该点的穿透距离为
其中,
实际成形中不会有穿透情形发生, 因此接触面上应满足不可穿透条件:gN=0。
除不可穿透条件外, 还须考虑摩擦力, 因此接触界面约束包括法向的不可穿透约束和沿切向的摩擦力约束。
在显式求解中, 一般通过罚函数法来施加接触界面约束条件。罚函数法中, 允许接触物体发生一定量穿透, 通过罚因子将穿透量以接触力fN形式引入变形控制方程, 力的大小与穿透量成正比, α为罚因子, 有
fN=α gNe2
使用指数函数摩擦力模型, 引入切向摩擦力[16]:
式中, fT为切向摩擦力;μ为摩擦因数, 取值0≤μ≤1;
用直线段M1M2、M2M3等离散表示模具型腔曲面 (图2) , 工件采用一系列无网格节点进行离散, 图2中只给出了边界上的节点。模具以速度v运动, 工件底部固定。某一时刻, 工件表面的两节点S1、S2穿透到达模具内部。对模具表面的任意一条离散直线段, 只有落在该直线段沿v方向的投影线段上的节点才有可能和该直线段发生接触并穿透。假设节点S1和直线段M2M3构成接触对, 计算S1到M2M3的距离即为相应的穿透距离。节点S2落在直线段M2M3及M3M4投影的交点上, 需同时计算S2到M2M3、M3M4的距离, 取较小值为S2的穿透距离。三维空间可参照处理。
1.3有限应变弹塑性无网格法方程
采用更新拉格朗日描述, 由虚功率原理建立金属成形动力分析弱形式:
δW+δWN+δWT=0 (1)
式中, δW为无接触约束条件时系统的虚功率[16]。
将工件上点的加速度和速度基于无网格法的近似函数
其中,
MIJ=∫ΩρN
CIJ=∫ΩcN
FJ=∫Ω (∇NJ) σ d Ω
式中, Γt为现时构型中给定的面力边界;ρ为密度;c为阻尼系数;I为单位矩阵;∇为矢量微分算子;σ为应力张量矢量;b为单位体积的体力矢量;
由定义式知, M、C、P、F需要在整个求解域和边界上进行积分运算。
EFGM法中, 求解域上的积分采用基于背景网格上的高斯数值积分进行离散处理, 边界上的积分通过对边界节点处的函数值乘以相应的权系数然后求和处理[17]。
式 (2) 采用基于中心差分格式的显式算法进行求解, 得t+Δt时刻位移的递推公式:
2 接触搜索算法——投影子域法
在施加接触界面约束条件之前, 须确定工件上的从接触节点和模具表面的哪一个主接触块发生了接触, 即接触对搜索。
有限元法中使用最多的接触搜索算法有级域法、一体化算法和主从面法[18]。本文基于一体化算法的基本“桶式分类”思想, 提出一种基于子域分割接触界面投影的搜索算法——投影子域法, 实现了高效率的接触搜索。
在成形模拟中, 一般将压力机的运动方向定义为Z轴方向, 向上为正方向。X和Y轴取在与压力机运动方向垂直的平面内, 与Z轴构成右手直角坐标系。
投影子域法的基本原理可以概括为:将工件表面所有可能的从接触节点向OXY面投影得到一个投影点集合, 再将模具型腔表面所有的离散三角形面片向OXY平面投影, 得到其投影三角形的集合。在OXY面上定义一个矩形区域, 将其分割为一定数量的小矩形子域, 分析从接触点的投影点和主接触块的投影三角形的关系, 实现测试对的配对。对找到的测试对, 通过Z轴截距法确定最终的接触对。
本算法的建立是以模具工作部分的型腔曲面均不包含OXY面的垂直面为前提, 但对于包含垂直面的情形, 只需将垂直面向另一个坐标平面 (OYZ面或OXZ面) 进行投影即可适用该算法。下面给出算法的具体内容。
2.1投影矩形区域及其子域的定义
定义在 OXY平面内的矩形区域如图3所示。该矩形区域的大小满足两个条件:①包含工件上所有可能发生接触的从接触点在OXY面内的投影点;②包含模具型腔表面的所有离散三角形面片OXY面内的投影三角形。设点P (Xmin, Ymin) 为矩形区域的下限点, 点Q (Xmax, Ymax) 为矩形区域的上限点。
如图4所示, 通过寻找由所有从接触点的投影点以及主接触块投影三角形的顶点构成点集的外接矩形, 得到所定义的矩形区域。
将上述定义的矩形区域沿X轴方向分成Nx等份, 沿Y轴方向分成Ny等份。引入一个整数平面坐标系OIJ, 其中I轴和J轴的方向分别平行于X轴及Y轴方向, 坐标系的原点位于该矩形区域的下限点 (即P点) 处。如此, 整个矩形区域被划分成Nx×Ny个小的矩形网格, 即所谓子域。对每个子域, 有整数对 (I, J) 与其唯一对应 (图3) 。将整数对 (I, J) 作为子域在整数坐标系OIJ中的坐标, 其中I的取值范围是[0, Nx-1], J的取值范围是[0, Ny-1]。
对所有的子域进行编号处理, 赋给每个子域一个唯一的整数编号L。设某个子域的整数坐标为 (I, J) , 则其整数编号为
L=J×Nx+J (3)
2.2从接触点和主接触块的子域划分
设工件表面某个可能的从接触点PC在系统坐标系OXYZ中的坐标为 (x, y, z) , 则该点在OXY面内的投影点在上述矩形区域中的整数坐标为
dx= (Xmax-Xmin) /Nx
dy= (Ymax-Ymin) /Ny
设图5中三角形为模具型腔表面的某个三角形主接触块在OXY面内的投影, 为了确定有没有以及有多少个从接触点与其构成测试对, 首先要确定所有可能与其相交的子域。根据式 (4) 计算得到其投影的三个顶点在域内的整数坐标, 再由式 (3) 得到相应的子域编号。根据主接触块三个顶点投影点的子域整数坐标, 可以找出所有可能与该主接触块的投影相交的子域。具体方法如下:
设投影三角形的三个顶点为A、B、C。由式 (4) 分别计算得到三个点的整数坐标, 依次为 (IA, JA) , (IB, JB) , (IC, JC) ;其次, 将IA、IB、IC赋值给整数型数组I[3], JA、JB、JC赋值给整数型数组J[3], 分别将这两个数组按从小到大的顺序排序, 由此可知共有Nb= (I[2]-I[0]+1) × (J[2]-J[0]+1) 个子域可能与该投影三角形相交。由以下程序段可得到这些子域的整数编号:
Int AreaId[Nb];
Int n=0;
For (int i=I[0]; i<I[2]; i++)
For (int j=J[0]; j<J[2]; j++)
{AreaId[n++]=I*Nx + j;}
依照上述方法, 遍历所有主接触块的投影三角形, 得到与其可能相交的子域列表。对每一个子域, 由此过程也可以得到一个与其可能相交的主接触块投影三角形列表。
2.3测试对、接触对的确定
由上述方法得到了每个子域上主接触块投影三角形的数量及其编号的列表。在每个时间步内, 遍历所有可能的从接触点, 由式 (4) 、式 (3) 计算该点投影点所在的子域编号, 据此编号即可得到该子域的主接触块三角形列表。使用面积比较法判断该投影点与该子域内每个投影三角形的关系, 如果点在三角形内则可知该从接触点和该主接触块三角形构成了测试对。对已经构成测试对的点和三角形进一步使用Z轴截距法确定其是否构成接触对。
面积比较法的原理是:对已知的一点P和△ABC, 如果P点在△ABC内, 则△PAB、△PBC、△PCA的面积之和等于△ABC的面积;否则该面积之和大于△ABC的面积。
Z轴截距法的原理是:对已知的一点P和平面ABC, 过P点作平面ABC的平行面α, 分别求得平面ABC和平面α在Z轴的截距。如果P点在平面ABC的上方, 则α平面的Z轴截距大于平面ABC的Z轴截距, 否则α平面的Z轴截距小于平面ABC的Z轴截距。
2.4算法流程及算法分析
图6给出了使用上述方法处理接触界面相关程序的流程图。其中“初始化”和“计算相关量, 求解方程”两个过程不是本文研究的重点 (具体内容参见文献[19]) 。使用不同的接触搜索算法及模具型腔描述方法, 这两个过程的时间消耗是一样的, 因此下文讨论时间复杂度时不包含这两个过程。另外, “计算相关量, 求解方程”这一过程的内容在完全拉格朗日形式和更新拉格朗日形式的变形控制方程中是不一样的, 需视具体情况选择。
设m为离散模具型腔的主接触块的数量, 其大小由描述模具所需的离散精度决定;n为变形工件表面上所有可能从接触点的数量, 由离散节点的分布和密度决定;k为子域的数目;Nt为变形过程所需时间步的数量, 由整个分析过程所要求的精度和计算时间决定。因此m、n、k、Nt为该算法四个相互独立的输入量, 它们的数值大小决定了该问题的计算规模。
再设定v为每个主接触块投影所能覆盖到的子域数目的平均值, g为每个子域内的主接触块投影三角形数量的平均值, v和g的大小由k值完全决定。下面结合算法流程讨论本文提出算法的时间复杂度, 至于空间复杂度, 本文算法与其他相关算法差别不大, 这里不作详细说明。
如图6所示, 首先遍历所有模具型腔表面的三角形主接触块, 计算可能与其在OXY面的投影三角形相交的子域编号。对每个子域, 此循环终了时, 形成了一个投影三角形可能覆盖到该子域的主接触块三角形数量及其标号的列表。因为将模具表面的离散三角形面片向OXY面进行了投影处理, 在整个变形过程中, 这些投影的位置不发生变化, 因此这一步计算只需要在整个变形计算开始时进行一次。该过程执行基本操作的次数大致为v×m。
其次, 给定在变形过程中工件表面上所有可能的从接触点的集合。在每一个时间步中, 遍历该集合内的所有点, 计算其投影的子域编号。根据子域编号, 查询到所有可能与该子域相交的接触块投影三角形的数量和编号, 进而遍历其中的每个三角形, 判断该从接触点的投影点是否在该三角形内, 如果是, 则该从接触点和该主接触块成了测试对, 进一步可由Z轴截距法确定其是否是接触对;如果该从接触点的投影点不在该三角形内, 则继续循环, 直到整个过程结束。这一步需要执行的基本操作的次数大约为g×n×Nt。
因此, 使用本文提出的投影子域法的接触处理算法, 整个过程需要执行基本操作的执行次数大约为v×m+g×n×Nt, 这里v和g相对m和n都是很小的整数, 可视为常量, 因此算法的时间复杂度为O (m+n×Nt) 。
使用主从面法实现接触对搜索的接触界面处理算法, 没有定义子域的概念, 需要比较所有的从接触点与所有主接触块的相对位置关系, 整个过程需要执行基本操作的次数大约为Nt×m×n, 其时间复杂度为O (Nt×m×n) 。
对于模具型腔由解析方法描述时的接触处理, 无需专门的接触搜索算法, 整个过程需要执行基本操作的次数大约为Nt×n, 其时间复杂度为O (Nt×n) 。
由此可知, 使用本文提出的算法处理接触界面的时间复杂度大于基于解析法描述模具型腔时界面处理过程的时间复杂度, 但远远小于使用主从面法处理接触界面过程的时间复杂度。
最后要说明本文算法中子域大小, 亦即数目k值的选择。整个算法执行基本操作的次数大约为v×m+g×n×Nt, 其中v值与k值成反比关系, g值与k值成正比关系, 可认为v和g是互为倒数的关系。因此, 公式v×m+g×n×Nt关于变量k有一个最小值, 使得v×m+g×n×Nt取最小值的k值即为最优的子域数目。这是因为对于每一个从接触点, 都需要遍历该点所在子域内所有的主接触块投影以验证点和块是否构成测试对。为减小计算量, 与每个子域可能相交的主接触块投影数量 (即g值) 越小越好, 只有一个相交存在是最理想的情况。由于主接触块投影的大小已经确定, 因此子域的尺寸越小越好, 直到每个子域恰好包含一个主接触块投影。而当子域过小时, 每个主接触块投影覆盖的子域数量 (即v值) 会变大, 这会增加搜索与主接触块相交的所有可能子域时所需要的时间。同时考虑到, 虽然主接触块本身的边长大小在离散模具型腔表面被取作基本一致, 但其投影后生成的投影三角形的边长在不同的区域差别则较大, 因此不可能保证每一个子域内恰好有一个主接触块的投影。根据数值算例的验证可知, 子域的大小取与主接触块边长相近的值即可, 并且整个变形过程的计算时间相对于子域的大小有一定的稳定性。
3 算例分析
本文设计了一个用球头状上凸模挤压正方体铜块工件的工艺过程 (图7) 以测试所提出算法的有效性及时间高效性。
考虑对称性, 取工件的四分之一模型进行分析, 工件的材料参数见表1, 四分之一铜块的边长取为40cm。球头状凸模的半径为20cm, 采用普通模具钢材料。初始时刻凸模与工件处于图7所示的位置, 分析凸模向下行进20cm挤压铜块使其发生塑性变形的过程。因重点是研究接触搜索算法的有效性, 为简化问题起见, 计算中忽略摩擦力影响, 取摩擦因数μ为零。
图8为球状凸模采用三角形面片离散前后的模型图。为了显示清楚起见, 图中给出的网格较少, 实际计算中将球面沿半圆周60等份以确定面片的大小。
使用无单元EFGM进行分析时, 四分之一铜块的三个方向上都均匀布置21个节点, 图9所示是工件的无网格法离散节点模型。近似方案采用移动最小二乘法。根据节点间距的大小 (本文取1.6) 选择矩形节点影响域, 影响域大小在三个方向上都固定为4.0。基函数采用线性基函数, 权函数则选择三次样条权函数。把离散节点的有限元网格作为积分网格来使用, 在每个积分网格内采用8点高斯积分方法。罚系数大小根据文献[19]选取为50。
对上述同一成形过程, 分别使用以下不同的方法进行分析:①基于有限元网格法描述模具型腔, 使用本文提出的投影子域法的搜索算法进行的无网格EFGM分析, 称为方法1;②基于有限元网格法描述模具型腔, 使用主从面法的搜索算法进行的无网格EFGM分析, 称为方法2;③基于解析法描述模具型腔, 无需特别的搜索算法进行的无网格EFGM分析, 称为方法3;④基于ANSYS/LS-DYNA环境的有限元技术进行的分析, 称为方法4。
自行编写了实现方法1、方法2、方法3的接触界面处理程序, 将其与张雄[20]的EOMLL显式无网格程序连接, 实现这个变形过程的无网格法分析。
使用方法3时, 时间步上的接触处理十分简单, 遍历所有可能的从接触点, 计算该点到圆心的距离, 比较其与圆半径的大小关系即可判断点是否与模具发生接触。因此花费在接触处理上的时间最少, 是进行接触界面处理的理想情况。对球形、柱形等规则几何体, 使用解析法描述是最合理的选择。
使用方法4时, 将上述无网格法的节点作为有限元法的网格节点, 由此生成计算所需的有限元网格。选择全积分计算模式, 分析进行到t=0.021 669s时, 网格畸变严重, 雅可比行列式的值出现负值, 进而导致计算终止, 此时工件被向下压缩了约10.8cm。而使用方法1、方法2、方法3时, 可以没有困难地计算到设定的下压深度即20cm。这说明了无网格方法用于大变形问题时相对于有限元法的优势所在。
图10为使用不同方法得到的t=0.021 669s时工件变形的等效应变分布云图, 图11采用为不同方法得到的工件上的节点 (0, 0, 4) 在整个变形过程中位移随时间变化的历程图, 图12给出了t=0.021 669s时方法4和方法1的变形图的比照。从图10～图12相关数据可以看出各种方法得到的结果是一致的, 说明了本文提出算法用于无网格分析时的有效性。
图13为方法1和方法3在计算终了时刻 (下压20cm) 的工件等效应变分布图, 图14是两者的变形情况比照图, 可以看出, 两种方法得到的结果基本一致, 这进一步说明了使用方法1进行成形过程无网格法分析的可行性。
同时, 从图13可以看出, 使用方法1得到的结果与方法3得到的结果之间存在一定的差异, 等效应变云图中, 在同一区域, 前者得到的值大于后者得到的值。
下面分析该差值存在的原因。如图15所示的二维情况, 半圆形模具表面 (实线圆弧线所示) 采用四条直线段近似, 实际模拟中为了保证模具表面的近似精度, 直线段的数目必须满足一定的要求, 这里为说明问题的简单起见以四条直线段为例。实线L表示某个时间步开始时工件接触表面的位置, 实线L′表示该时间步结束后工件接触面的位置。图15给出了分别采用解析法描述模具型腔和采用离散直线段描述模具型腔时工件接触面上A、B、C三点的穿透情况。基于解析法描述时, A、B、C三点都处于已穿透模具表面的状态, 穿透距离分别为图15所示的线段1、2、3的长度, 使用该长度通过罚函数法可以计算得到法向接触力的大小, 而力的方向为A、B、C三点和圆心的连线方向并指向工件。基于直线段离散近似时, A点仍然为已穿透点, 但此时穿透距离为点A到直线段的距离, 即为图15中线段1′的长度, 以此长度亦可通过罚函数法计算得到A点的法向接触力的大小, 力的方向为垂直于A点穿透的线段并指向工件。再观察B、C两点, B点此时刚好到达直线段表示的模具表面, 穿透距离为零, 而C点此时还未发生穿透。由此可知, 使用离散的有限元直线段逼近圆形模具表面时会造成接触状态以及接触力大小和方向的改变, 正是这种改变造成了离散方法分析结果的精度降低。因此为了保证模具基于离散方法描述时的分析结果可以被接受, 离散直线段的数量就必须满足一定的范围要求。直线段的数量越多, 分析结果越接近解析值。但同时会增加计算量, 一般而言应当根据需要的分析精度选择相应数量的离散直线段的数目。
图16为将离散模具型腔表面的有限元网格面片细化后重新计算得到的最终变形的等效应变云图, 与前面的云图相比, 细化后的结果有了明显的改善。
表2给出了使用不同方法计算整个变形过程所消耗的时间, 所有计算都基于同样的电脑配置条件, 即Genuine Intel (R) CPU 2140@1.60GHz, 内存大小为1.0GB。
表2表明, 本文提出的接触搜索算法具有良好的时间高效性, 与基于解析法描述模具时消耗的时间相近, 增加时间消耗约2%, 而比使用主从面法搜索接触对需要的时间短, 降低时间消耗约10%左右。同时, 整个计算消耗的时间同子域大小的关系比较稳定, 不会发生剧烈的变化, 这个特性方便了子域大小的选择, 一般选择子域的尺寸大小与离散模具表面的网格面片的大小相近即可, 从表2可以看出, 当子域数目越大, 也就是子域尺寸越小时, 本算法的时间消耗会呈现增加的趋势。
事实上, 主从面法实现接触搜索的算法可看作是投影子域法的特殊情况, 相当于取子域数目为1×1, 即将接触界面的包络矩形不作细化分割, 直接进行接触对搜索的情形。
4 结束语
通过对任意形状接触边界处理算法的研究, 提出了一种基于投影和子域分割思想的快速高效接触搜索算法——子域投影法, 并利用罚函数法将接触约束引入求解控制方程中, 使用显式算法求解方程得出结论。通过算例说明了该算法应用于接触处理的可靠性和时间高效性, 显示了该方法的良好性能。存在的不足之处在于整个分析过程没有自适应分析能力, 随着变形过程的加剧, 变形工件上有的区域节点变得非常稀疏, 而有的区域节点则变得十分稠密, 影响了计算精度和效率, 因此有必要进一步研究自适应算法来解决这一问题。
【非接触法】推荐阅读：
生物接触氧化法05-17
厌氧-接触氧化法08-21
填料技术在高浓度氯碱化工废水生物接触氧化法处理中应用的研究07-14
无损非接触检测06-03
非接触读卡器论文09-10
电接触的接触电阻研究07-21
直接接触10-20
接触系统10-20
接触测量05-27
接触行为05-31