引言
生物質(zhì)壓縮成型是將生物質(zhì)廢棄物用機械加壓的方法，使原來松散、無定形的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。生物質(zhì)在經(jīng)過壓縮成型之后，其密度、強度和燃燒性能都有了質(zhì)的改善，大大提高了生物質(zhì)作為燃料的品質(zhì)和性能，可以為日常生活、工業(yè)生產(chǎn)提供高效清潔的能源。
富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈壓塊機、
秸稈顆粒機專業(yè)壓制生物質(zhì)固體顆粒燃料。
我國生物質(zhì)能資源非常豐富。但是，作為一種散拋型低容積密度的能源存在形式，生物質(zhì)能源具有資源分散、能量密度低、容積密度小、儲運不方便等缺點。特別是我國地域廣闊，地形復(fù)雜，嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。所以生物質(zhì)高品位轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究便成為開發(fā)利用生物質(zhì)能的重點。而研制開發(fā)成本低、產(chǎn)能高、操作簡單、體積小、便于田間小戶型作業(yè)的成型設(shè)備成為這項技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在。近年來在生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展基礎(chǔ)上，本文利用有限元理論對生物質(zhì)的壓縮成型徐變過程和力學(xué)特性進(jìn)行模擬分析，對成型過程中壓力和變形的變化規(guī)律作深入分析，為研究其最佳成型條件和工藝流程尋求理論依據(jù)。
1、生物質(zhì)致密成型技術(shù)
1.1基本理論
從生物學(xué)角度，生物質(zhì)是由纖維素、半纖維和木質(zhì)素構(gòu)成，這3種成分構(gòu)成植物的支持骨架。其中，纖維素組成微細(xì)纖維，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的網(wǎng)狀骨架，賦予植物莖稈彈性和機械強度；而半纖維素和木質(zhì)素則是填充在纖維之間和微細(xì)胞之間的“粘結(jié)劑”和“填充劑”。在一般植物中，這3種成分的質(zhì)量占總質(zhì)量的80%—90%，是生物質(zhì)的主要組成成分。生物質(zhì)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對粘結(jié)成型機理的研究，可以將成型塊內(nèi)部粘結(jié)狀況及結(jié)合力分成5種類型：固體橋；非自由移動粘結(jié)劑下的粘附力和內(nèi)聚力；自由移動液體的表面張力和毛細(xì)管作用力；固體顆粒之間的吸引力（分子間的范德華力或靜電力）；顆粒間的交錯粘結(jié)。除了在特殊的成型過程中，物料壓縮成型利用了部分或全部的粘接機理以外，通常成型塊在聚合過程中只有一種或兩種粘接機理起著主要的作用。
一般情況，成型塊的粘結(jié)強度隨著成型壓力增加而增大。在不添加粘結(jié)劑的成型過程中，秸稈顆粒在外部壓縮力的作用下相互滑動，顆粒間的孔隙減小，顆粒在壓力作用下發(fā)生塑性變形，并達(dá)到粘結(jié)成型的目的。對大顆粒而言，顆粒之間交錯粘接為主；對于很小的顆粒而言（粉粒狀），顆粒之間以吸引力（分子間的范德華力或靜電力）粘結(jié)為主。因此生物質(zhì)徐變應(yīng)包括粘性變形和塑性變形。
1.2生物質(zhì)徐變有限元模型
基于以上分析，如何真實地模擬纖維的分裂軟化，木質(zhì)素的固化成型是有限元分析的關(guān)鍵。同時顆粒物料應(yīng)屬于非連續(xù)離散性介質(zhì)，而非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論還很不完善，使其在工程上的應(yīng)用受到一定的限制。為研究問題的方便而又能充分反映生物質(zhì)受壓變形情況，本文借用鋼筋混凝土梁的粘塑性分析理論，將纖維等效為梁的縱橫向筋，木質(zhì)素等效為混凝土，并采用離散式模型。
單元應(yīng)力一位移關(guān)系為式中e-單元應(yīng)變率矢量
式(7)即為考慮徐變的有限元基本方程。對于非時效材料K由常量組成，對徐變計算的主要難度在于如何近似獲得Ra，因為它是某時間段內(nèi)變化著的應(yīng)力函數(shù)。在有限元分析中采用LINK單元模擬纖維，concrete單元模擬木質(zhì)素。同時為了較真實地虛擬成型過程，采用直徑30 mm、高60 mm、壁厚1mm的圓筒狀模具，并使用PLANE 42單元模擬成型模具。
由于細(xì)胞構(gòu)造、排列等方面的原因，植物的材料性質(zhì)多為各向異性，如木材沿樹干縱向（習(xí)慣稱順紋）強度較橫向（橫紋）大得多。因此，有限元計算時采用正交各向異性材料模型。由于秸稈類生物質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)的測定至今沒有得到一個公認(rèn)的準(zhǔn)確數(shù)值，且與杉木相比兩者的主要組成成分都是纖維素，因此在計算分析中所需材料模型的彈性模量、泊松比等參數(shù)參考了文獻(xiàn)報道的杉木力學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)力一應(yīng)變曲線參考了文獻(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)。
2、ANSYS分析計算
由于成型擠壓過程中被擠壓物料和成型模具之間存在擠壓和滑動摩擦現(xiàn)象，進(jìn)行有限元分析時需建立接觸副，用以計算兩個物體之間的這種運動。
2.1網(wǎng)格劃分
首先為不同幾何模型選擇對應(yīng)單元類型和材料模型；然后使用MeshTool進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。生物質(zhì)模型和成型模具模型的單元尺寸分別為2級和3級。
2.2建立接觸副
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一類問題。對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Targe169和Targe170來模擬2-D和3-D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用Conta171，Conta172，Conta173．Conta174來模擬。本文采用目標(biāo)單元169和接觸單元171進(jìn)行面一面接觸分析計算。分別選取生物質(zhì)物料作為柔性體，成型模具為剛性體，“目標(biāo)”面分別選取兩部分的邊界線。
2.3建立分析條件
生物質(zhì)物料的左邊采用對稱約束，在其頂部施加壓力作為載荷。接觸分析是典型的非線性問題，同時生物質(zhì)也是非線性材料，所以在求解前，進(jìn)行計算結(jié)果收斂性設(shè)定。首先，在Sol'n control中設(shè)定Large displacement static, Time at end of loadstep設(shè)定為10，Number of sunstep設(shè)定為20;然后，在Analysis option中設(shè)Large deform effect為On；最后打開非線性計算收斂預(yù)測器。
2.4分析計算
點擊Current LS進(jìn)行求解。
2.4.1擠壓成型徐變過程
圖2、圖3是生物質(zhì)徐變初始階段和結(jié)束階段的變形圖，從圖中可清晰看出其成型過程中位移、體積變化情況。物料變形具有一定的層次，從上到下其變形越來越小，頂端最大，底部變形較小。分析可得各部分受力、變形不均勻，采用模具成型得到的制成品各部分致密度不相同，一端較致密，另一端容易散落。另外，生物質(zhì)邊緣變形比中部變形有一定遲緩，這是由磨擦所造成的。所以選擇受力、變形均勻的擠壓方法是提高制品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。
2.4,2應(yīng)力分布
圖4為第三強度定律應(yīng)力圖，圖5為等效塑性應(yīng)力圖。
從圖4、圖5所示應(yīng)力分布得出，生物質(zhì)上部應(yīng)力較大，下部較小，這與上部變形大于下部相一致。與材料模型相比較得出，物料上部徐變以粘性變形為主，而下部剛進(jìn)入粘性變形，以塑性變形為主。對于成型模具其內(nèi)壁直角處應(yīng)力較大，其主要原因是這一部位即承受橫向擠壓力又承受上部擠壓力和摩擦力在此產(chǎn)生的彎曲力偶。如何消除此集中應(yīng)力是提高模具壽命的關(guān)鍵。
2.4.3 壓力和變形關(guān)系
從圖6中得出，物料擠壓初始階段在較小壓力作用下產(chǎn)生了較大變形，隨著時間推移變形越來越緩慢，而且在成型后階段變形會出現(xiàn)徐變停滯現(xiàn)象。根據(jù)圖6、圖7可將生物質(zhì)徐變過程分為3個階段：松散階段、壓緊階段、固化階段。
在松散階段（圖6、7中曲線從0點到A點）．初始物料較松散，在很小的壓力下，產(chǎn)生較大變形。表明在此階段，變形以克服物料之間的空隙為主，物料的體積減小較快。
在壓緊階段（圖6、7中曲線從A點到B點），變形的增大率逐漸減弱。表明在此階段，秸稈物料的變形從克服物料之間的空隙為主轉(zhuǎn)向以克服物料自身內(nèi)部的空隙為主。物料顆粒發(fā)生破裂，纖維開始分裂軟化，徐變以塑性變形為主。
在固化階段（圖6、7中曲線從B點到C點），物料變形與壓力的關(guān)系近似呈線性關(guān)系。隨著壓力的增加，變形的增加非常緩慢。表明在此階段，秸稈物料顆粒之間的空隙和秸稈自身的空隙己經(jīng)被完全克服，纖維進(jìn)一步軟化，木質(zhì)素開始固化，徐變以粘性變形為主。
在壓緊和固化階段，變形出現(xiàn)停滯，其原因一方面與物料中存在的大量氣泡和水分有關(guān)，另一方面與大量纖維的突然軟化分裂有關(guān)。
在整個成型過程中，除去水分外物料質(zhì)量損失較少，所以密度變化與位移變化曲線相似。從圖6、7可以得出：物料成型與其含水率有一定關(guān)系。
本文有限元分析數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中經(jīng)過試驗得出的秸稈類生物質(zhì)壓力一變形數(shù)據(jù)很相似。所以，本文所采用方法較為合理，分析計算準(zhǔn)確。
3、結(jié)論
(1)準(zhǔn)確建立生物質(zhì)的徐變模型，模擬其生物機理是有限元分析合理性的關(guān)鍵。由生物質(zhì)徐變圖可得，對物料從各個方向施加均勻的受力是保證成型品品質(zhì)的關(guān)鍵。
(2)根據(jù)壓力一變形圖，生物質(zhì)成型徐變要經(jīng)過松散、壓緊、固化3個階段。
(3)由于擠壓力和摩擦力的存在，成型模具產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，這是柱塞式成型設(shè)備的主要缺陷。
(4)運用ANSYS對生物質(zhì)成型徐變過程進(jìn)行模擬分析，其變形過程及其壓力與變形的關(guān)系與已有實驗數(shù)據(jù)對比，其數(shù)據(jù)可靠，為生物成型機理的進(jìn)一步研究提供了較好的依據(jù)和方法。
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