Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Sinkin stabiloiminen pilaantuneesta maa-aineksesta: 28 vuorokauden stabilointiajan riittävyys liukoisuustesteissä eri sinkkiyhdisteillä

Tässä kandidaatintyössä selvitettiin, onko 28 vuorokautta riittävä aika sinkillä pilaantuneen maaperän massastabilointiin, ja kuinka sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan. Kokeellisessa osassa jäljiteltiin malmijätteessä, orgaanisessa aineksessa sekä liuenneena maaperässä esiintyvän sinkin stabiloitumista lisäämällä maanäytteeseen sinkkiä eri yhdisteinä; sinkkirakeina, -kloridina ja -asetaattina. Näytteet stabiloitiin sementti-lentotuhkaseoksella 1–28 vuorokauden pituisia ajanjaksoja, minkä jälkeen ne kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja niille tehtiin liukoisuustestit. Liukoisuustestien tuloksista voidaan huomata sinkkikloridin stabiloituvan jo ensimmäisen vuorokauden aikana ja pysyvän samalla tasolla koko tarkasteluajan. Sinkkirakeiden ja -asetaatin stabiloituminen ei ole yhtä tasaista; alun sitoutumisen jälkeen niiden liukoisuuksissa on havaittavissa selkeät piikit 21 vuorokauden kohdalla. Tämän jälkeen ne alkavat sitoutua uudelleen. Tulosten perusteella sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan, eikä 28:aa vuorokautta voida pitää riittävänä aikana sinkillä pilaantuneen maa-aineksen stabilointiin. Vaikka liukoinen sinkki stabiloituu jo yhdessä vuorokaudessa, ei malmijätteessä tai orgaanisessa aineksessa esiintyvä sinkki ehdi stabiloitua vakaalle tasolle vielä 28 vuorokaudenkaan aikana. Tämä tulisi ottaa huomioon suunniteltaessa ja toteutettaessa sinkkiä sisältävien maiden kunnostushankkeita.

Bauksiittijätteen neutralointi- ja stabilointimenetelmät

Bauksiittijäte on alumiinin jalostuksessa syntyvä sivutuote, jonka alkalisuus on riski lähiympäristön ekosysteemeille. Alkalisuuden aiheuttamaan riskiin etsittiin ratkaisua perehtymällä bauksiittijätteen käsittelyyn. Kandidaatintyössä esitettiin eri menetelmiä bauksiittijätteen neutraloimiseksi, stabiloimiseksi ja varastoimiseksi. Menetelmien periaatteet määritettiin kirjallisuudesta löytyvien tutkimusten pohjalta, joiden perusteella voitiin määrittää toimivimmat menetelmät bauksiittijätteen käsittelemiseksi. Käytännöllisimmiksi käsittelymenetelmiksi osoittautuivat meriveden ja/tai hiilidioksidin lisääminen bauksiittijätteeseen sen neutraloimiseksi. Bauksiittijätteen stabiloimiseksi siihen tulee lisätä kiinteää materiaalia, kuten kalkkia, kiintoainepitoisuuden nostamiseksi sekä kovettuvien yhdisteiden muodostumiseksi.

Teollisuusjätteen käyttö kiinteytys-stabiloinnin sideaineena ja haitta-aineiden stabiloinnin tehostamisessa

Tässä kanditaatintyössä selvitettiin kuinka erilaiset sideaineseokset soveltuvat raskas-metallien sitomiseen 28 vuorokautta stabiloiduissa näytteistä. Työssä oletettiin teollisten jätefraktioiden käytön tehostavan eräiden metallien, kuten kupari ja sinkki, immobilisointia lievästi pilaantuneista maa-aineksista. Kokeellisessa osassa stabiloitiin Kokkolan satamasta ruopattua sedimenttiä, jonka sinkkipitoisuudet olivat ylittäneet saastuneen sedimentin ohjearvon (≥400 mg/kg). Sedimenttiin lisättiin eri sideaineseoksia ja näytteiden annettiin stabiloitua 28 vuorokautta, minkä jälkeen niistä testattiin liukenevat raskasmetallit muokatulla ravistelutestillä. Eri sideaineseoksilla saatuja tuloksia verrattiin pelkän yleissementin käyttöön. Lisäksi erillisistä näytteistä otettiin pyyhkäisyelektronimikros-koopilla (SEM) kuvia havainnollistamaan stabiloitumista. Näissä näytteissä käytettiin samoja sideaineita kuin tehdyissä kokeissa. Liukoisuustestien tuloksista voidaan huomata näytteissä ongelmalliseksi raskasmetalliksi identifioidun sinkin sitoutuvan parhaiten sementin ja kipsin sekoituksella. Myös tuhkaa sisältävät sideainesekoitukset pienensivät sinkin liukoisuutta verrattuna pelkkään yleis-sementtiin. Jatkotutkimuksissa voitaisiin testata erilaisia sideainesekoituksia betonira-kentamisessa, joilla saadaan ainakin 25 MPa lujuusarvo, pilaantunutta sedimenttiä tai maa-ainesta käyttäen.