0、引言
秸稈類生物質資源非常豐富，但作為一種能源，存在松散、形態各異、能量密度小、運輸不便、儲存和使用占用空間大的缺點，這是制約現有生物質規模化利用的“瓶頸”，松散生物質屬于可壓縮材料，致密化即固化成型是提高松散生物質制品性能的關鍵．目前國內外生物質固化成型方法雖有多種，但其成型基礎為：生物質材料中含有“木質素”，在成型過程中“木質素”在一定的溫度和壓力下產生“軟化”、“熔融”，然后施加一定壓力將松散生物質壓制成型，對于熱壓成型的生物質成型工藝存在著：高溫加熱與壓制需要較高的壓力，能耗大，并加劇機械磨損、螺桿擠壓頭壽命短等問題．對不同生物質在不同壓力、不同溫度條件下的成型機理、成型密度的研究，涉及因素較多、條件復雜，為從機理、功能、技術和系統配套上有效解決上述生物質能開發過程中存在的問題和技術難點，利用有限元法對生物質成型過程進行模擬，以研究生物質成型的機理和揭示在成形過程中的應力應變及其歷史演化規律，用于指導生產實踐，現在被大多數人采用的是環模式的
顆粒機、
秸稈壓塊機等生物質成型設備。
生物質原料在成型前要粉碎成粉狀，其應屬于非連續介質，研究方法應為非連續介質力學，即從粉末的微觀特性出發，把粉末體視為顆粒的集合體，建立單個顆粒變形行為與粉末集合體宏觀變形行為間的聯系，這時其整體變形符合質量不變定律，顆粒變形遵循體積不變原則．但由于非連續介質力學的基本理論還很不完善，使其在工程上的應用受到一定的限制，為研究問題的方便，將材料視為“可壓縮的連續體”，從而可以用連續體塑性力學的理論來研究可壓縮材料的變形行為，此外，由于粉末體與土體的性質有重要的相似性，即屈服過程伴隨有體積變化．試圖從土塑性力學理論出發，尋找建立可壓縮材料變形過程的力學模型。
1、力學模型的建立
應用大型有限元軟件ANSYS模擬螺旋式壓縮成型過程進行研究，按物料的不同其受力情況可分為3段，即輸送段、擠壓段、保型段，選取成型的主要階段擠壓段作為研究對象．
1.1模型類型的確立
生物質在輸送段，由于加熱和螺桿的擠壓作用，松散的物料到達擠壓階段近乎粘連在一起，從宏觀上可視為連續介質，根據其變化情況可視作彈塑性模型。
1.2幾何模型的確立
在建立幾何模型時，對實際物體的結構進行簡化，將襯套和其外體合二為一，只建1個模型，且只取擠壓段．被擠壓物料在加工過程中是連續的，取其中1段進行研究，其大小為0.018 m×0.025 m.
1.3材料參數
以木屑作為要模擬的對象．整個擠壓模型有擠壓模和木屑組成，但考慮到模型中存在接觸副，在運動當中會有摩擦產生，因此，建立3種材料模型，相應的材料編號為1，2，3．因為研究的主要目的是模擬擠壓過程中的應力場，分析在擠壓過程中木屑的受力情況，探討其變形趨勢．因此，分析中的自由度主要包括平面位移X，y．表1給出了各材料參數．
1.4網格劃分
1.4.1單元的選取
壓縮成型過程中主要涉及到結構分析問題，并考慮溫度導致的膨脹而引起的熱應力，在考慮選擇單元時只選取有空間自由度的單元，擬采用ANSYS中的plane82．plane82是8節點的高階二維平面單元，它有較高的模擬精度、好的協調位移形狀，非常適合模擬彎曲的邊界，這個單元有塑性、蠕變、剛度硬化、大應變能力。
1.4.2網格劃分方法
在擠壓模的網格劃分中，為了能對節點和單元的分布進行有效的控制，根據本例的實際情況對研究對象分別實施計算時易于收斂的映射網格劃分，由于木屑在擠壓過程中有塑性變形發生，其劃分的網格需要非常細密，其單元尺寸采用0.0001 m;擠壓模的網格較粗糙，其單元尺寸選用0.005 m。
1.5接觸副單元的建立
由于成型擠壓過程中擠壓模和被擠壓件之間存在擠壓、滑動摩擦現象，進行有限元分析時必須建立接觸副(Contact Pair)，用以計算2令物體之間的這種運動．接觸分析是非常復雜的非線性問題，需要大量的計算資源．
1.5.1單元的選取
ANSYS支持3種接觸方式：點一點、點一面、面一面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題，對于剛體一柔體的面一面的接觸單元，剛性面被當作“目標”面，分別用Targe169和Targe170來模擬2-D和3-D的“目標”面，柔性體的表面被當作“接觸”面，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174來模擬．基于本文的實際情況，采用面一面接觸單元，目標單元169和接觸單元171。
1.5.2接觸分析的環境設置
在擠壓成型過程中，有2個最重要的行為：一是塑性變形，另一個就是摩擦，涉及若干面之間的接觸行為，收斂性很難．因為存在摩擦，不可能應用約束或自由度耦合來代替接觸，必須給接觸問題建模，首先，擠壓過程中的摩擦接觸是面一面接觸，就擠壓模和被擠壓的材料來說，兩者之間的彈性模量相差很大，應視作剛一柔體的接觸．接觸單元的建立如前所述，接觸單元可以和面上的低階和高階單元相配合．其次，應用面一面接觸單元模擬，可以在網格劃分后利用接觸向導，本例中，采用常因數摩擦法，按照庫侖定律計算摩擦力．選擇不對稱來計算摩擦問題，取KEYOPT(6)=1。
2、載荷、約束、邊界條件
擠壓模的工作環境涉及空間、溫度、力等載荷條件因此其中應用的載荷、約束、邊界條件等包括位移( Displacement)、溫度（Temperature）、壓力（ness）等，擠壓模和機器本體相連，其外表面為固定約束，另截取的兩端面原和機器的其它部件固定相連，同樣，這2個表面也采用固定約束．由于結構采用對稱形式，木屑的左邊采用對稱約束．在木屑的頂部施加壓力和位移作為載荷。
由于本例是非線性問題，涉及的內容非常復雜，為避免計算過程中出現不收斂的情況，在求解前，作些有利于收斂的規定。
首先，在Sol’n control中設定Large displacementstatic；然后，Analysis option中設Luge deform effect為On，并且在Newton-Raphson -Option中選Full N-R un-symm，使用Full N-R unsymm是為了處理滑動過程中的法向和接觸剛度，但它將花費更多的時間，再將線性搜索打開，線性搜索對計算穩定有利。
3、擠壓過程中材料流動變化圖
圖2～圖4是被擠壓件在擠壓過程中不同時刻的變形情況，形象的描述了被擠壓件成型過程和形狀（t．表示擠壓過程的相對時間）．圖2描述成型初始階段，弧頂開始出現；圖3—圖4可以看到擠壓件的成長過程。
圖5—圖6是被擠壓件擠壓過程最后時刻的變形放大圖，分別為頂端和尾端的局部放大圖，從圖中可更清楚的了解網格的變形情況，網格的變形反映了材料受擠壓時的流動情況．橫向坐標線在出口處發生了較大的彎曲，且中間部分彎曲更劇烈，這是由于凹模與被擠壓件表面之間存在著摩擦力和凹模形狀的變化，致使被擠壓件在流動時外層滯后于中層的緣故．隨著被擠壓件繼續流出，中間部分的變形逐浙趨平，兩側的變形恢復較小，最后，被擠壓件的狀態趨于穩定，
縱向坐標也發生了劇烈變化，在模具頭部靠近模具的縱向坐標向外彎曲，這是由于心部的毛胚流動快，而兩側的毛胚和模具由于接觸產生摩擦致使毛胚流動較慢所造成，這時表面受拉應力，引起頂部凹陷，但隨著擠壓的深入，擠壓力越來越大，兩側縱向坐標則趨于向里彎曲，并且其兩者之間的距離越來越小，至出口處變形最大。
正方形網格經過出口處以后，變成了平行四邊形，這說明除發生拉伸變形以外，還有剪切變形．越接近外層剪切角越大，這是由于外層被加工件受到摩擦阻力的影響較大以及模具形狀的影響，使得內外層被擠壓件流動存在較大的差異，開始擠出的端部剪切角較小，以后逐漸增大，這是由于開始擠壓時，受摩擦影響較小的緣故．當進入穩定變形以后，相應處的剪切角也基本保持不變．這種剪切應力將會造成制品的橫向裂紋，而且，制品在擠出后，因剪切應力的影響沿直徑方向會產生彈性膨脹和彈性滯后現象，彈性滯后和彈性膨脹往往導致制品沿縱向開裂．因此，在實際生產中，可降低擠壓速度和適當提高溫度來解決這一問題。
根據多孔材料的塑性理論知，多孔材料的等效應變取決于應變偏量和應變球張量。兩部分，即塑性變形和體積應變．由前面分析可知，在擠壓時，在靠近擠壓模一側的軌跡點屬于剛性區，材料主要是以壓實致密為主，多孔材料的等效應變主要取決于應變球張量，而相對密度愈低，體積應變愈大，因此在這一階段等效應變隨初始相對密度的升高而減少，且體積應變的數值較小，相對應等效應變的數值也較小．隨著擠壓過程的繼續，材料進入擠壓變形區或已在擠壓變形區內的材料，以塑性變形為主，應變偏量在數值上大大超過體積應變，這時的等效應變主要取決于應變偏量．相對密度愈高，其宏觀塑性變形越大．根據多孔材料的應變關系，流動應力與等效應變具有相同的變化規律。
4、矢量位移（第150步）
從矢量位移圖圖7可看出木屑的中間部位和前端的流動明顯較快，而邊部較慢．由于中間流動快而相對于邊部形成拉應力，相反，邊部流動較慢且和擠壓模接觸，則在邊部形成壓應力．對于木屑而言，由于拉、壓應力的存在，在其內部形成附加應力，如果兩者的流速相差很大，則附加應力隨之增加，這對于成型質量有很大影響，很大的附加應力會使成型產品產生裂紋，甚至破碎。
5、載荷和位移的關系
圖8反映了變形體外表面一點載荷的變化過程，載荷在擠壓初期增加劇烈，隨后逐漸增加，到最后階段（即將要離開模具時）達到最大值，隨之急劇下降，逐漸趨于穩定。
6、等效塑性應變圖
圖9反映了擠壓時變形體的塑性變化，從圖可以看到變形體在離開模具時，有較大塑性變化。
7、結論
根據生物質固化成型的主要特點，建立了數值模擬的力學模型，在建立力學模型中，主要考慮以下幾個方面：
(1)網格劃分采用映射網格，映射網格劃分的單元形狀一致，計算時易收斂。
(2)接觸單元采用面一面接觸單元，面面接觸支持有大滑動和摩擦的大變形，計算精度高。
(3)求解設定時，主要考慮非線性分析的某些特性，將線性搜索打開，計算時選用Full N-R unsymm求解器。
由模擬結果揭示了擠壓過程中生物質的流變特性，在流動過程中，由于受到模具壁摩擦力的影響，生物質受到剪應力的作用，而剪應力是造成制品出現裂紋的原因；擠壓過程中的壓應力和等效應變，使生物質內部中的間隙被填充且生物質發生了變形，從而使生物質被壓縮．經過擠壓段后，材料中壓應力為正，這表明材料不再受到擠壓，這是由于彈性滯后作用，材料變形出現反彈；最后分析了載荷和位移的關系。
