基于3D打印的垃圾填埋场渗滤层受力变形研究开题报告

 2020-07-19 06:07

1. 根据毕业设计(论文)课题情况,提交一篇2000字文献综述:

1.1课题内容、目的和意义 本课题的主要内容集中在3D打印和垃圾填埋场渗滤层受力变形研究。3D打印是最近越来越流行起来的新型技术,主要可用于医药、食品制备、航天和建筑设计等等。本课题就是基于3D打印技术模拟垃圾填埋场渗滤层,做到无需亲临现场便可以在实验室做完整个流程。除了3D打印,另一个主要内容就是垃圾填埋场渗滤层的受力变形研究。进入21世纪以来,我国城市化进程加快导致城市生活垃圾产生量急剧增加,城市垃圾年产生量超过1.4亿吨,且每年以8%至10%的速度增长,垃圾填埋场成为解决垃圾围城的有效手段。然而,垃圾填埋过程中和填埋场封场后易于产生垃圾渗滤液,由此造成的产生的渗滤液污染土体及地下水的风险日益增加。垃圾渗滤液是一种污染性很强的高浓度有机废水,有效地处理垃圾渗滤液是世界上公认的难题。垃圾填埋场渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵和降水的冲刷、地表水和地下水浸泡而滤出的污水。渗滤液中不仅含有大量的有机污染物。还含有重金属和高浓度的植物性营养物,某些工业垃圾的渗滤液中甚至还有剧毒有害污染物。垃圾渗滤液有成分复杂、水质水量变化巨大、有机物和氨氮浓度高、微生物营养元素比例失调等特点。渗滤层的受力变形通过3D打印模拟试验,了解渗滤层的受力变形,对于城市垃圾填埋场设施和管理都有不小的帮助。 近年来,3D打印技术已经越来越成熟,其以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的应用范围延伸。 土的渗透性是土力学研究的基本问题,渗透系数是反映土体渗透性的重要参数,准确测定土体的渗透系数有重要的理论与工程应用价值。通过变水头试验,分析了变水头管横截面面积、起始水头高度、记录水头高度变化的时间间隔、温度等因素对测定渗透系数的影响,并得到渗透系数随孔隙比和干密度的变化规律。为降低变水头管内水分蒸发对渗透系数的影响,建议记录水头高度变化的时间间隔宜小于150min;渗透系数与初始孔隙比和干密度的拟合关系均符合二次型函数。 土的抗剪强度是一个复杂的问题,其影响因素主要为以下几方面:土的组分、原始密度、孔隙比及含水量等因素。   ①土的组分包括有颗粒级配、颗粒棱角、矿物类别等。   ②土的原始密度越大,土粒间的咬合作用力越强,受剪时首先须克服咬合作用,才能产生相对滑动。此外,土的密度大也意味着土粒间的孔隙小,接触紧密,原始内聚力较大。所以土的原始密度越高,其抗剪强度越大。   ③土的初始孔隙比越小,颗粒越紧密,咬合摩擦力越大,受剪破坏时所需要的能量也越大。   ④土的含水量对抗剪强度的影响也不容忽视。当含水量增加时,水分在较大土粒表面形成润滑剂,使摩阻力减小;对细小的黏土粒,使其结合水膜变厚,从而降低土的黏聚力。 通过3D打印来研究垃圾填埋场渗滤层的受力变形,控制孔隙影响渗透性与力学强度,在准确的前提下,通过控制试样的孔隙分布与大小和试样渗透性与力学强度的关系,找到一个既能保持强度,又能及时渗透渗滤层的生物废液的孔隙范围。这是本课题的初衷,也是解决城市垃圾填埋这一大难题的意义所在。 1.2课题研究现状 我在拿到课题之前曾经系统地查阅资料,关于3D打印方面,在该领域3D打印技术仍然在不断发展和进步,对于本课题来说,3D打印只是基础建模。骨组织可以通过计算机辅助设计软件(CAD)进行3D打印,印刷的骨组织与蜂窝状结构相比,减少了传统骨组织移植的排斥机会。美国国家航空航天局通过3D打印成功地建立了一个火箭发动机。金属粉末通过3D系统PROX 300被3D打印作成空间合金。3D打印如今已然从实验室开始走向了市场,消费级别的3D打印机也经常出现在眼前,这项集合了材料与机械领域科学知识的产品开始颠覆了过去的制造思路,为未来的生产提供了另一种思路。从数字技术角度来看,3D打印是一种将三维模型通过数据处理转化成为片层,这样就将原本的复杂数据转化为可以直接被机器识别的语言,然后通过可塑材料快速层层塑形。这种对数字化模型切片的过程需要软件预先进行处理才能用于打印,目前这种软件一般分为商业版和开源版本,前者往往价格不菲,而且由于是单独开发出来的,所以通用程度较低,不实用于当下的工业化,但是另一种开源的切片软件,大多需要依赖源代码发布者提供技术上的支持,而且普遍只是对语言包进行了汉化。从软件上来说,3D打印缺少了技术支持,在这种情况下是比较难跟上国外的发展进度的。在土木工程领域,3D打印促成了高强度重量比和较强的适应性质的新材料的应用。超大尺寸的3D打印机甚至被运用在特殊的油墨混凝土建造建筑物等等。 傅驰林,刘斌在《3D打印模型节才优化》中针对3D打印材料费用昂贵问题,提出一种改进的蒙皮-桁架结构快速构建与优化方案,使打印模型的体积在满足产品物理机械性能、受力平衡性、自平衡性和可打印性等多约束条件下实现最小化,达到节省打印耗材、降低成本的目的。利用网格简化策略快速构建表层桁架结构,与原始网格模型在拓扑上保持相似性,避免桁架与蒙皮之间的冲突;基于实验分析,提出无内节点的内部桁架构建方法,可大幅缩短整体优化时间,且可在保证满足力学约束条件下获得更优的节材效果;将力学准则法与粒子群优化算法有机结合,利用满应力法计算桁架结构的支杆半径作为优化算法的初始值,提高算法在全局范围内搜索最优解的能力和效率,实现桁架结构支杆截面尺寸与系统拓扑结构协同优化的目标。实验结果表明,该方法健壮、有效,具有成本优势和效率优势。
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