CN105928868B

CN105928868B - 一种颗粒污泥弹性模量的测量方法

Info

Publication number: CN105928868B
Application number: CN201610241123.3A
Authority: CN
Inventors: 苏馈足; 张帅; 张易培; 韩胜; 程长征; 陈清; 范文莹
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei Luyang Technology Innovation Group Co ltd
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: CN105928868A; CN104062224A; CN104062224B

Abstract

本发明公开了一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，通过在ANSYS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析求解获得所述颗粒污泥的弹性模量。本发明测量方法，可以方便快速的测定颗粒污泥的弹性模量，并对其受力条件进行分析，为建立操作要素和颗粒结构稳定性的响应机制提供依据，为培养稳定颗粒污泥提供具体的最优选择方案。

Description

一种颗粒污泥弹性模量的测量方法

本申请是申请号为：2014102772675，申请日为：2014-6-19，发明名称为：一种颗粒污泥弹性模量的测量装置及其测量方法的分案申请。

技术领域

本发明属于弹性模量分析测试技术领域，尤其涉及废水生物处理过程中形成的颗粒污泥弹性模量的测量装置及测量方法。

背景技术

在废水处理领域，将絮状污泥培养成颗粒污泥有利于微生物的持留，增强了对污染物的处理能力，由于颗粒污泥容易解体，因此对颗粒污泥的弹塑性力学分析很有必要，弹性模量是颗粒污泥的一个重要物理特性。

颗粒污泥是由微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，颗粒大小约为1～3mm，容易破碎，含有较多的水份，机械强度较低，形变产生的变形较小。

颗粒污泥受力条件是影响颗粒污泥稳定性的关键因素之一，通过对颗粒表面受力进行全面深入研究，并且结合颗粒内部受力分析，以建立受力与稳定性之间的桥梁，从而可以建立操作要素和颗粒结构稳定性的响应机制，这将为定量控制其稳定性提供理论依据和指导，而这些内部受力分析都依赖于对颗粒污泥的弹性模量的测定。

目前，现有的测定弹性模量的装置主要应用于测定金属、混凝土、岩土等形状较大的工程材料，无法测量颗粒污泥等微小颗粒的弹性模量。已公开的相关专利都是用来测定颗粒污泥的机械强度，结构复杂，制作成本高，不能测定颗粒污泥在微小力作用下产生的微小形变量，无法进行弹塑性力学(弹性模量)和有限元分析。

发明内容

针对目前没有测量颗粒污泥弹性模量的装置及测量方法的现状，本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，使用方便的测量颗粒污泥弹性模量的装置及测量方法，可广泛应用于污水处理中。

由于颗粒污泥很难测定其在作用力下的体积应变，无法计算得出颗粒污泥的弹性模量，所以本发明提供一种测量装置先测定颗粒污泥在作用力下的垂直变形量，本发明进一步提供一种测量方法，通过在ANSYS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析求解获得所述颗粒污泥的弹性模量。

为实现上述发明目的采取如下技术方案：

一种颗粒污泥弹性模量的测量装置，包括底座和固定支架，其特征在于，所述底座上设有用于测量待测颗粒污泥荷载的向下作用力的电子天平，所述电子天平正上方通过固定支架固设有用于测量待测颗粒污泥产生的垂直变形量的千分表，所述千分表的测杆垂直于电子天平的载物平台，且测头朝上，所述测头上方设有用于向测头施加向下作用力的施力机构；所述施力机构通过固定支架固定。

所述施力机构由内螺纹套筒和螺栓组成，所述套筒固设在固定支架上，所述螺栓包括栓头和具有外螺纹的螺杆，所述套筒与螺杆螺纹配合。

一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取所述颗粒污泥，通过测量装置测定所述颗粒污泥在一定垂直向下作用力F下产生的垂直变形量H₀，并测定所述颗粒污泥的半径R；

(2)在ANSYS有限元分析软件中建立颗粒污泥有限元模型，所述颗粒污泥有限元模型为球体，半径取值为步骤(1)半径R，泊松比取值范围为0.45-0.5；在所述颗粒污泥有限元模型的正上方和正下方建立与颗粒污泥实体模型形成外切的上压板和下压板；所述上、下压板弹性模量取值不小于10000，泊松比取值0.28－0.30；所述压板为正方形,边长为2R；

(3)在ANSYS有限元分析软件中，给所述上压板上表面施加一个压强P，即给颗粒污泥施加一个整体的压强P；所述压强P＝F/4R²；在ANSYS有限元分析软件中输入弹性模量的假定值E，使ANSYS有限元分析软件中对应显示的垂直方向变形量H₁与步骤(1)中的变形量H₀一致；所述的弹性模量假定值E，即为待测颗粒污泥的弹性模量。

所述颗粒污泥有限元模型和上、下压板均采用SOLID186单元。

所述颗粒污泥有限元模型单元边长取值不大于0.30mm。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明的测量装置先测定颗粒污泥在一定作用力下的垂直变形量，本发明的测量方法，通过在ANSS软件中建立颗粒污泥的实体模型，结合本发明装置所测得的数据，利用软件自动分析获得所述颗粒污泥的弹性模量。该测量装置具有结构简单、使用方便、成本较低、灵活性大等优点，该测量方法具有易用、快速、准确等优点。弥补了现有装置只能用来测量金属、混凝土、岩石等形状较大的工程材料的缺陷。适合推广应用于污水处理中对好氧和厌氧颗粒污泥的弹塑性力学(弹性模量)和有限元分析。

采用本发明的测量装置和测量方法，可以方便快速的测定颗粒污泥的弹性模量，并对其受力条件进行分析，为建立操作要素和颗粒结构稳定性的响应机制提供依据，为培养稳定颗粒污泥提供具体的最优选择方案。

附图说明

图1为本发明颗粒污泥弹性模量测量装置的结构示意图

图2为颗粒污泥模型及网格划分

图中标号：

1-施力机构；2-千分表；；3-电子天平；4-横杆；6-立柱；7-连接部件；8-底座；9-上压板；10-颗粒模型；11-下压板；12套筒、13栓头、14螺杆、21测头、22测杆、23表件、24外壳。

具体实施方式

实施例1本发明测量装置：

如图1所示，本发明装置包括底座8和固定支架，底座上设有用于测量待测污泥颗粒荷载的向下作用力的电子天平3，电子天平正上方通过固定支架固设有用于测量待测污泥颗粒产生的垂直方向的变形量的千分表2，千分表的测杆22垂直于电子天平的载物平台，且测头21朝上，测头上方设有用于向测头施加向下作用力的施力机构；施力机构由内螺纹套筒12和螺栓组成，套筒固设在固定支架上，螺栓包括栓头13和具有外螺纹的螺杆14，套筒与螺杆螺纹配合。

本实施例中,螺栓采用M4*150型号螺栓；千分表采用规格为0-12.7mm量程的电子数显千分表,千分表包括测头21、测杆22、表件23和外壳24；电子天平采用OHAUS先行者CP214型号的万分之一天平，最大称量值为210g；固定支架包括底座、立柱6、连接部件7和横杆4，立柱垂直固定于所述底座，横杆通过连接部件与立柱垂直连接，横杆的一端固定连接具有内螺纹的上下连通的套筒，套筒的侧壁设有具有内螺纹的固定孔。连接部件为长方体铁块，设有用于与立柱固定连接的上下连通的通孔以及用于与横杆固定连接的左右连通的通孔，通孔的侧壁设有具有内螺纹的固定孔。

本发明装置使用方法如下：

1)污泥样品的准备：选取20ml颗粒污泥于培养皿中，挑选若干直径在1～3mm左右的颗粒污泥，备用。

2)调整颗粒污泥弹性模量测量装置，使施力机构、千分表、电子天平的中心位于一条垂线上，并且螺栓与千分表测头接触，测杆下端位于电子天平上方1cm左右。

3)接通电子天平的电源，进行调平、校正、调零。

4)取单个待测颗粒污泥于载玻片上，将载玻片放置在电子天平的载物台中央，按电子天平“去皮”按钮使显示置零。

5)向下旋转螺栓推动测头和测杆向下运动，在测杆下端与待测颗粒污泥刚好接触荷载为零的状态时，读取千分表的起始读数；继续向下旋转所述施力螺栓，推动所述测杆挤压所测颗粒污泥，挤压使所测颗粒污泥产生的垂直方向的变形量通过千分表读出，其值为H₀，单位为mm；挤压使待测颗粒污泥荷载的向下作用力F由电子天平读出的m值计算得出，计算公式为F＝mg/1000,其中F的单位为N，m单位为g。

实施例2本发明测量方法：

具体包括如下步骤：

6)取待测颗粒污泥10个，采用如图1所示测量装置分别测定每个颗粒污泥在一定垂直向下作用力F下产生的垂直方向的变形H₀，测定每个颗粒污泥的半径R，在本实施例中采用Motic Images Advanced图形软件测定颗粒污泥的半径R。

7)在ANSYS有限元分析软件中建立颗粒污泥实体模型，如图2所示，考虑到颗粒污泥大多类似椭圆或球体，实体模型10采用半径R的球体，球体上方设上压板9，相当于测量装置中千分表测杆的下表面；球体下方设下压板10，相当于测量装置中的载玻片和电子天平的载物台。压板为正方形，边长为2R。球体和上、下压板均采用SOLID186单元。

8)在ANSYS有限元分析软件中输入实体模型的材料属性参数：压板的弹性模量取值不低于10000，本实施例中取值为2×10⁹；泊松比取值相当于测杆所用材料的的泊松比值0.28－0.30，本实施例中取值为0.3；考虑到颗粒污泥的含水量大于90％，本实施例中颗粒污泥的泊松比取值为0.48，当然也可取0.45－0.50范围内的任一值；对实体模型进行网格划分，单元边长取值不大于0.30mm，本实施例中单元边长为0.25mm，以生成有限元模型。

9)在模型的上压板的上表面施加均布荷载，该均布荷载值为由上述测量装置所测得的F值计算出的P值，计算公式为P＝F/4R²，输入模型的弹性模量的假定值E，模型相应产生的垂直方向的变形量为H，当H大于或小于H₀时，分别增大或减小E，使得H与测量装置所测得的H₀一致，此时所输入的E即认为是所测颗粒污泥的弹性模量。在本实施例中“一致”是指H在H₀±10％的范围内。

10)10个颗粒污泥分别通过上述步骤所获得的弹性模量E，见下表1。由于所取颗粒污泥存在差异和实验误差，舍去实验数据中偏差较大的数据，即舍去第1、7、10组数据，其他7组取平均值，计算得出弹性模量为0.21MPa，即为所测颗粒污泥的代表性弹性模量值。

表1 颗粒污泥的弹性模量

本发明实施例在ANSYS有限元分析软件中建模及求解过程的命令流如下文所示：

FINISH

/CLEAR

/FILN,Aerobic Granular Sludge,1

/TITLE,Aerobic Granular Sludge

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

！**********参数设定**********

R＝0.97 ！颗粒半径(mm)

H＝1.4 ！垫块高度系数

E1＝0.2 ！颗粒弹性模量(MPa)

NU1＝0.48 ！颗粒泊松比

E2＝2E+9 ！垫块弹性模量(MPa)

NU2＝0.3 ！垫块泊松比

P＝0.001164 ！均布荷载(MPa)

R0＝0.25 ！单元大小

！***********前处理***********

/PREP7

ET,1,SOLID186 ！单元类型

KEYOPT,1,2,1

KEYOPT,1,3,0

KEYOPT,1,6,0

KEYOPT,1,10,0

MP,EX,1,E1

MP,NUXY,1,NU1

MP,EX,2,E2

MP,NUXY,2,NU2

！------建立模型------

SPH4,0,0,R,0

BLOCK,-R,R,R,R*H,-R,R

BLOCK,-R,R,-R*H,-R,-R,R

VSBW,ALL

WPROTA,0,0,90

VSBW,ALL

WPROTA,0,90,0

VSBW,ALL

VSEL,S,LOC,Y,-R,R

CM,SPHERE,VOLU

ALLSEL,ALL

VSEL,U,,,SPHERE

CM,CUSHION,VOLU

VSEL,S,,,SPHERE

VATT,1,,1

VSEL,S,,,CUSHION

VATT,2,,1

ALLSEL,ALL

ESIZE,R0 ！手动划分网格

MSHAPE,0,3D

MSHKEY,1

VMESH,ALL

ALLSEL,ALL

！------接触控制------

MP,MU,1,0.3

MAT,1

MP,EMIS,1,7.88860905221e-031

R,3

REAL,3

ET,2,170

ET,3,174

R,3,,,1.0,0.1,0,

RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,

RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5

RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0

KEYOPT,3,4,0

KEYOPT,3,5,3

KEYOPT,3,7,0

KEYOPT,3,8,0

KEYOPT,3,9,0

KEYOPT,3,10,2

KEYOPT,3,11,0

KEYOPT,3,12,0

KEYOPT,3,2,0

KEYOPT,2,5,0

ASEL,S,,,1

ASEL,A,,,7

ASEL,A,,,12

ASEL,A,,,38

TYPE,2

NSLA,S,1

ESLN,S,0

ESLL,U

ESEL,U,ENAME,,188,189

NSLE,A,CT2

ESURF

ASEL,S,,,42

ASEL,A,,,47

ASEL,A,,,50

ASEL,A,,,54

TYPE,3

NSLA,S,1

ESLN,S,0

NSLE,A,CT2

ESURF

ALLSEL,ALL

MP,MU,1,0.3

MAT,1

MP,EMIS,1,7.88860905221e-031

R,4

REAL,4

ET,4,170

ET,5,174

R,4,,,1.0,0.1,0,

RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,

RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5

RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0

KEYOPT,5,4,0

KEYOPT,5,5,3

KEYOPT,5,7,0

KEYOPT,5,8,0

KEYOPT,5,9,0

KEYOPT,5,10,2

KEYOPT,5,11,0

KEYOPT,5,12,0

KEYOPT,5,2,0

KEYOPT,4,5,0

ASEL,S,,,2

ASEL,A,,,8

ASEL,A,,,13

ASEL,A,,,39

TYPE,4

NSLA,S,1

ESLN,S,0

ESLL,U

ESEL,U,ENAME,,188,189

NSLE,A,CT2

ESURF

ASEL,S,,,57

ASEL,A,,,62

ASEL,A,,,67

ASEL,A,,,71

TYPE,5

NSLA,S,1

ESLN,S,0

NSLE,A,CT2

ESURF

ALLSEL,ALL

KEYOPT,3,4,1

KEYOPT,3,2,3

KEYOPT,5,4,1

KEYOPT,5,2,3

FINISH

！************求解************

/SOL

ANTYPE,0

ASEL,S,LOC,Y,R*H

SFA,ALL,,PRES,P

ASEL,S,LOC,Y,-R*H

DA,ALL,UY

KSEL,S,LOC,Y,-R*H

KSEL,R,LOC,X,0

KSEL,R,LOC,Z,0

DK,ALL,,,,0,UX,UZ,,,,,

OUTPR,BASIC,ALL,

/GST,1

TSRES,ERASE

OUTRES,ALL,ALL,

SOLCONTROL,ON,0,NOPL

TIME,1

AUTOTS,-1

KBC,0

NCNV,2

CNVTOL,,-1,23

CNVTOL,F,,0.001,2,-0.1

LNSRCH,-1

OUTPR,BASIC,ALL,

/GST,1

SOLCONTROL,ON,1,

DELTIM,1e-005,1e-008,0.1,1

NSUBST,1e5,1e8,10,1

ALLSEL,ALL

SOLVE

FINI

！***********后处理***********

/POST1

PLNSOL,U,Y

NSEL,S,LOC,Y,R*H

NSEL,R,LOC,X,0

NSEL,R,LOC,Z,0

PRNSOL,U,Y

Claims

1.一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)在ANSYS有限元分析软件中，给所述上压板上表面施加一个压强P，即给颗粒污泥施加一个整体的压强P，所述压强P＝F/4R²；在ANSYS有限元分析软件中输入弹性模量的假定值E，使ANSYS有限元分析软件中对应显示的垂直方向变形量H₁与步骤(1)中的变形量H₀一致；所述的弹性模量假定值E，即为所测颗粒污泥的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，所述颗粒污泥有限元模型和上、下压板均采用SOLID186单元。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒污泥弹性模量的测量方法，其特征在于，对所述颗粒污泥有限元模型单元边长取值不大于0.30mm。