摘要：秸稈類生物質(zhì)屬于可壓縮材料，其密度較低，致密化是提高生物質(zhì)制品性能的關(guān)鍵。根據(jù) 生物質(zhì)壓縮成型的主要特點(diǎn),利用ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，得到載荷在材料致密化過(guò)程中的變化規(guī)律，揭示了在整個(gè)成形過(guò)程中制品內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及其歷史演化過(guò) 程，進(jìn)而對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)理研究提供了可靠依據(jù)。富通新新能源生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
1. 前言
秸稈類生物質(zhì)資源非常豐畜，但作為一種能源，存在松散、形態(tài)各異、能量密度小，運(yùn)輸不 便、儲(chǔ)存和使用占用空間大的缺點(diǎn)，這是制約現(xiàn)有生物質(zhì)能規(guī)模化利用的“瓶頸松散生物質(zhì) 屬于可壓縮材料，致密化即固化成型是提高松散生物質(zhì)制品性能的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固化 成型方法雖有多種，但其成型基礎(chǔ)為：生物質(zhì)材料中含有“木質(zhì)素”，在成型過(guò)程中‘'木質(zhì)素” 在一定溫度和壓力下產(chǎn)生“軟化”、“熔融”，然后施加一定壓力將松散生物質(zhì)壓制成型.對(duì)于熱 壓成型的生物質(zhì)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(jī)械磨損、 播桿擠壓頭壽命短等問(wèn)魎.對(duì)不同生物質(zhì)在不同壓力、不同溫度條件下的成型機(jī)理'、成型密度的 研究，涉及因素較多、條件復(fù)雜，為從機(jī)理、功能、技術(shù)和系統(tǒng)配套上有效解決上述生物質(zhì)能開 發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，本文利用有限元法對(duì)生物質(zhì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬，以研究生物質(zhì) 成型的機(jī)理和揭示在成形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變及其歷史演化規(guī)律.用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。
生物質(zhì)原料在成型前首先要經(jīng)過(guò)
粉碎機(jī)粉碎成粉狀.其應(yīng)屬于非連續(xù)介質(zhì)，研究方法應(yīng)為非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，即從粉末的微觀特性出發(fā).把粉末體視為顆粒的集合體，建立單個(gè)顆粒變形行為與粉末集合 體宏觀變形行為間的聯(lián)系，這時(shí)其整體變形符合質(zhì)量不變定律，顆粒變形遵循體積不變?cè)瓌t。但 由于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論還很不完巷，使其在工程上的應(yīng)用受到一定的限制。若將可壓縮 材料視為非連續(xù)體來(lái)研究其變形.勢(shì)必會(huì)給問(wèn)題的研究帶來(lái)很大不便，為研究問(wèn)題的方便，將材 料視為“可壓縮的連續(xù)體”，從而可以用連續(xù)體塑性力學(xué)的理論來(lái)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(zhì)有重要的相似性，印屈服過(guò)程伴隨有體積變化，本文試圖從土塑 性力學(xué)理論出發(fā)，尋找建立可壓縮材料變形過(guò)程的力學(xué)模型。
2. 力學(xué)播型的建立
本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS模擬蠔旋式壓縮成型過(guò)程進(jìn)行研究，按物料的不同其受力情況可 分為三段，即輸送段、擠壓段、保型段，選取成型的主耍階段擠壓段作為研究對(duì)象。
2.1模型類型的確立
經(jīng)過(guò)秸稈粉碎機(jī)粉碎的秸稈原料在輸送段，由于加熱和螺桿的擠壓作用，松散的物料到達(dá)擠壓階段近乎粘連 在一起，從宏觀上可視為連續(xù)介質(zhì)，根據(jù)其變化情況可視作彈塑性模型。
2.2幾何模型的確立
在建立幾何模型時(shí)，對(duì)實(shí)際物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將襯套和其外體合而為一，只建一個(gè)模型， 且只取擠壓段。被擠壓物料在加工過(guò)程中是連續(xù)的，取其中一段進(jìn)行研究，其大小為0.018X 0.025m。
2.3材料參數(shù)
本文以木屑作為耍模擬的對(duì)象，整個(gè)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(yùn)動(dòng)當(dāng)中會(huì)有摩擦產(chǎn)生，因此，建立三種材料模型，相應(yīng)的材料編號(hào)為1、2、3。因?yàn)?研究的主要目的是模擬擠壓過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)，分析在擠壓過(guò)程中木肩的受力情況，探討其變形趨 勢(shì)•因此.分析中的自由度主要包括平面位移給出了各材料參數(shù).
2. 4網(wǎng)格劃分 2. 4.1單元的選取
壓縮成型過(guò)程中主要涉及到結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，并考慮溫度導(dǎo)致的膨脹而引起的熱應(yīng)力，在考慮 選擇單元時(shí)只選取有空間自由度的單元，擬采用ANSYS中的plane82, plmeB2是8節(jié)點(diǎn)的高階 二維平面單元，它有較高的祺擬«度、好的協(xié)調(diào)位移形狀，非常適合模擬彎曲的邊界，這個(gè)單元 有塑性、蟠變、剛度硬化、大應(yīng)變能力。
2.4. 2網(wǎng)格劃分方法
在擠壓模的網(wǎng)格劃分中，為了能對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元的分布進(jìn)行有效的控制，根據(jù)本例的實(shí)際情況 對(duì)研究對(duì)象分別實(shí)施計(jì)算時(shí)易于收斂的映射網(wǎng)格劃分.由于木屑在擠壓過(guò)程中有塑性變形發(fā)生， 其劃分的網(wǎng)格需要非常細(xì)密，其單元尺寸采用0.0001m擠壓模的網(wǎng)格較粗糙，其單元尺寸選用 0. 005m劃分的網(wǎng)格如圖I所示.
2. 5接觸副單元的建立
由于成型擠壓過(guò)程中擠壓模和被擠壓件之間存在擠壓、滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，進(jìn)行有限元分析時(shí)必 須建立接M副（Contact Pair),用以計(jì)算兩個(gè)物體之間的這種運(yùn)動(dòng)。接觸分析是非常復(fù)雜的非
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線性問(wèn)題，需耍大量的計(jì)算資源。
2.5.1單元的選取
ANSYS支持三種接觸方式：點(diǎn)一點(diǎn)、點(diǎn)--面、面一面，每種接觸方式使用的接觸單元適用子 某類問(wèn)題，對(duì)于剛體一柔體的面一面的接觸單元，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用Tar
gel69 和Targel70來(lái)模擬2-D和3-D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用 Contal71,Contal72,Contai73,Contal74來(lái)輯擬。基于本文的實(shí)際情況，采用面-面接觸單元，目 標(biāo)單元169和接觸單元171。
2. 5. 2接觸分析的環(huán)境設(shè)置
在擠壓成型過(guò)程中，有兩個(gè)最重要的行為
：一是塑性變形，另一個(gè)就是摩擦，涉及若干面之間的 接觸行為，收斂性很難。因?yàn)榇嬖谀Σ粒豢赡軕?yīng)用約束或自由度耦合來(lái)代替接觸，必須給接觸 問(wèn)題建模。
首先，擠壓過(guò)程中的摩擦接觸是面-面接觸，就擠壓模和被擠壓的材料來(lái)說(shuō)，兩者之間的彈 性模量相差很大，應(yīng)視作剛-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 階和髙階單元相配合。其次，應(yīng)用面-面接觸單元模擬，可以在網(wǎng)格劃分后利用接觸向?qū)А１纠?中，采用常系數(shù)摩捸法，按照庫(kù)侖定律計(jì)算摩擦力.選擇不對(duì)稱來(lái)計(jì)算摩揀問(wèn)題，取KEYOPT (6) =1。
3. 載荷、約束、邊界條件
擠壓模的工作環(huán)境涉及空間、溫度、力等載荷條件因此其中應(yīng)用的載荷、約束、邊界條件等 包括位移（Displacement)、溫度(Temperature)、壓力(Press)等•擠壓模和機(jī)器本體相連，因此， 其外表面為固定約束，另截取的兩端面原和機(jī)器的其它部件固定相連，同樣，這兩表面也采用固 定約束•由于結(jié)構(gòu)采用芍稱形式，木屑的左邊采用對(duì)稱約束。在木屑的頂部施加壓;和位移作為 載荷。
由于本例是非線性問(wèn)題，涉及的內(nèi)容非常復(fù)雜，為避免計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)不收斂的情況，在求解前, 作些有利于收斂的規(guī)定.
首先，在 Sol’ n control 中設(shè)定 Large displacement static;然后，Analysis option 中設(shè) Large deform effect 為 On,并且在 Newton-Raphson - Option 中選 Full N-Runsymm，使用 Full N-Runsymm是為了處理滑動(dòng)過(guò)程中的法向和接觸剛度，但它將花費(fèi)更多的時(shí)間，再將線性搜索打 開，線性搜索對(duì)計(jì)算穩(wěn)定有利。
4.擠壓過(guò)程中材料流動(dòng)變化圖
圖3～圖6是被擠壓件在擠壓過(guò)程中不同時(shí)刻的變形情況,形象的描述了被擠壓件成型過(guò)程和 形狀（t-表示擠壓過(guò)程的相對(duì)時(shí)間）•圖3描述成型初始階段，弧頂開始出現(xiàn)：圖4～圖6可以看 到擠壓件的成長(zhǎng)過(guò)程•
圖5～圖7是被擠壓件擠壓過(guò)程最后時(shí)刻的變形放大圖，圖5是受擠壓材料整體放大圖，圖 7是頂端的局部放大圖，.圖8是尾端的局部放大度，局部放大圖中可更淸楚的了解網(wǎng)格的變形情 況，網(wǎng)格的變形反映了材料受擠壓時(shí)的流動(dòng)情況。橫向坐標(biāo)線在出口處發(fā)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(dòng)時(shí)外層滯后于中層的緣故.隨著被擠壓件繼續(xù)流出，中間部分的變形逐漸趨平， 兩側(cè)的變形恢復(fù)較小，最后，被擠壓件的狀態(tài)趨于穩(wěn)定縱向坐標(biāo)也發(fā)生了劇烈變化。在模具頭部IS近模具的縱向坐標(biāo)向外彎曲，這是由于心部的毛 胚流動(dòng)快，而兩側(cè)的毛胚和模具由于接觸產(chǎn)生摩擦致使毛胚流動(dòng)較慢所造成，這時(shí)表面受拉應(yīng)力， 引起頂部凹陷，但隨著擠壓的深入，擠壓力越來(lái)越大，兩側(cè)縱向坐標(biāo)則趨于向里彎曲，并且其兩 者之間的距離越來(lái)越小，至出口處變形最大.
正方形網(wǎng)格經(jīng)過(guò)出口處以后，變成了平行四邊形，這說(shuō)明除發(fā)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揀阻力的影響較大以及模具形狀的影 響，使得內(nèi)外層被擠壓件流動(dòng)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(shí)，受摩擦影響較小的緣故。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定變形以后，相應(yīng)處的剪切角也基本保持 不變。這種W切應(yīng)力將會(huì)造成制品的橫向裂紋，而且，制品在擠出后，因剪切應(yīng)力的影響沿直徑 方向會(huì)產(chǎn)生彈性膨脹和彈性滯后現(xiàn)象•彈性滯后和彈性膨脹往往導(dǎo)致制品沿縱向開裂。因此，在 實(shí)際生產(chǎn)中，可降低擠壓速度和適當(dāng)提高溫度來(lái)解決這一問(wèn)題。
根據(jù)多孔材料的塑性理論知，多孔材料的等效應(yīng)變?nèi)Q于應(yīng)變偏量e u和應(yīng)變球張置e •兩 部分，即塑性變形和體積應(yīng)變•由前面分析可知，在擠壓時(shí)，在靠近擠壓模一側(cè)的軌跡點(diǎn)屬于剛 性區(qū)，材料主要是以壓實(shí)致密為主.多孔材料的等效應(yīng)變主要取決于應(yīng)變球張量，而相對(duì)密度愈 低，體積應(yīng)變愈大，因此在這一階段等效應(yīng)變隨初始相對(duì)密度的升髙而減少，且體積應(yīng)變的數(shù)值 較小，相對(duì)應(yīng)等效應(yīng)變的數(shù)值也較小•隨著擠壓過(guò)程的繼續(xù)，材料進(jìn)入擠壓變形區(qū)或己在擠壓變 形區(qū)內(nèi)的材料，以塑性變形為主，應(yīng)變偏置在數(shù)值上大大超過(guò)體積應(yīng)變，這時(shí)的等效應(yīng)變主要取 決于應(yīng)變偏童•相對(duì)密度愈髙，其宏觀塑性變形越大•根據(jù)多孔材料的應(yīng)變關(guān)系，流動(dòng)應(yīng)力與等 效應(yīng)變具有相同的變化規(guī)律。
5、矢量位移
從圖8可看出木屑的中間部位和前端的流動(dòng)明顯較快，而邊部較慢.由于中間流動(dòng)塊從而相 對(duì)于邊部形成拉應(yīng)力，相反，迪布流動(dòng)較1S且和擠壓模接觸，則在邊部形成壓應(yīng)力。對(duì)于木屑而 言，由于拉、壓應(yīng)力的存在，在其內(nèi)部形成附加應(yīng)力*如果兩者的流速相差很大，則附加應(yīng)力隨 之增加.這對(duì)于成型質(zhì)ft有很大影響，很大的附加應(yīng)力會(huì)使成型產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋，甚至破碎
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6、載荷和位移的關(guān)系
圖9反映了變形體外表面一點(diǎn)載荷的變化過(guò)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(shí)）達(dá)到最大值，隨之急劇下降，逐漸趨于穩(wěn)定。
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7、等效塑性應(yīng)變圖
反映了擠壓時(shí)變形體的塑性變化.從圖可以看到變形體在離開橫具時(shí)，有較大的塑性變化
8、結(jié)論
根據(jù)生物質(zhì)固化成型的主要特點(diǎn)，建立了數(shù)值模擬的力學(xué)模型。在建立力學(xué)模型中，主要考 慮以下幾個(gè)方面：
（1）網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，映射網(wǎng)格劃分的單元形狀一致，計(jì)算時(shí)易收斂；（2）接觸單元采用面-面接觸單元，面面接觸支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形，計(jì)算精度高。（3）求解設(shè)定時(shí)，主要考慮非線性分析的某些特性•將線性搜索打開，計(jì)算時(shí)選用Full N-R unsymm求解器。
由模擬結(jié)果揭示了珩壓過(guò)程中生物質(zhì)的流變特性> 在流動(dòng)過(guò)程中，由于受到模具壁摩擦力的 影響.生物廣受到剪應(yīng)力的作用，而剪應(yīng)力是造成制品出現(xiàn)裂紋的原因：擠壓過(guò)程中的壓應(yīng)力和 等效應(yīng)變，使生物質(zhì)內(nèi)部中的間限被墣充且生物質(zhì)發(fā)生了變形，從而使生物質(zhì)被壓縮。經(jīng)過(guò)擠壓 段后，材料中壓應(yīng)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(xiàn)反 彈；最后分析了載荷和位移的關(guān)系，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備是客戶不錯(cuò)的選擇。
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1、秸稈顆粒機(jī)
2、秸稈壓塊機(jī)
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