1. 前言
秸稈類生物質資源非常豐畜，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能規(guī)�；玫�“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、 播桿擠壓頭壽命短等問魎.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(tǒng)配套上有效解決上述生物質能開 發(fā)過程中存在的問題和技術難點，本文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(guī)律.用于指導生產實踐。
生物質原料在成型前首先要經過粉碎機粉碎成粉狀.其應屬于非連續(xù)介質，研究方法應為非連續(xù)介質力學，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(xù)介質力學的基本理論還很不完巷，使其在工程上的應用受到一定的限制。若將可壓縮 材料視為非連續(xù)體來研究其變形.勢必會給問題的研究帶來很大不便，為研究問題的方便，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，印屈服過程伴隨有體積變化，本文試圖從土塑 性力學理論出發(fā)，尋找建立可壓縮材料變形過程的力學模型。
2. 力學播型的建立
本文應用有限元軟件ANSYS模擬蠔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象。
2.1模型類型的確立
經過秸稈粉碎機粉碎的秸稈原料在輸送段，由于加熱和螺桿的擠壓作用，松散的物料到達擠壓階段近乎粘連 在一起，從宏觀上可視為連續(xù)介質，根據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，對實際物體的結構進行簡化。將襯套和其外體合而為一，只建一個模型， 且只取擠壓段。被擠壓物料在加工過程中是連續(xù)的，取其中一段進行研究，其大小為0.018X 0.025m。
2.3材料參數
本文以木屑作為耍模擬的對象，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，建立三種材料模型，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肩的受力情況，探討其變形趨 勢•因此.分析中的自由度主要包括平面位移給出了各材料參數.
2. 4網格劃分 2. 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, plmeB2是8節(jié)點的高階 二維平面單元，它有較高的祺擬«度、好的協(xié)調位移形狀，非常適合模擬彎曲的邊界，這個單元 有塑性、蟠變、剛度硬化、大應變能力。
2.4. 2網格劃分方法
在擠壓模的網格劃分中，為了能對節(jié)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(fā)生， 其劃分的網格需要非常細密，其單元尺寸采用0.0001m擠壓模的網格較粗糙，其單元尺寸選用 0. 005m劃分的網格如圖I所示.
2. 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M副（Contact Pair),用以計算兩個物體之間的這種運動。接觸分析是非常復雜的非
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線性問題，需耍大量的計算資源。
2.5.1單元的選取
ANSYS支持三種接觸方式：點一點、點--面、面一面，每種接觸方式使用的接觸單元適用子 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Targel69 和Targel70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 Contal71,Contal72,Contai73,Contal74來輯擬�；诒疚牡膶嶋H情況，采用面-面接觸單元，目 標單元169和接觸單元171。
2. 5. 2接觸分析的環(huán)境設置
在擠壓成型過程中，有兩個最重要的行為：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-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-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，應用面-面接觸單元模擬，可以在網格劃分后利用接觸向導。本例 中，采用常系數摩捸法，按照庫侖定律計算摩擦力.選擇不對稱來計算摩揀問題，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•由于結構采用芍稱形式，木屑的左邊采用對稱約束。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(guī)定.
首先，在 Sol’ n control 中設定 Large displacement static;然后，Analysis option 中設 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(wěn)定有利。
4.擠壓過程中材料流動變化圖
圖3～圖6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3描述成型初始階段，弧頂開始出現：圖4～圖6可以看 到擠壓件的成長過程•
圖5～圖7是被擠壓件擠壓過程最后時刻的變形放大圖，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(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 被擠壓件在流動時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， 兩側的變形恢復較小，最后，被擠壓件的狀態(tài)趨于穩(wěn)定縱向坐標也發(fā)生了劇烈變化。在模具頭部IS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(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(wěn)定變形以后，相應處的剪切角也基本保持 不變。這種W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e u和應變球張置e •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(qū)，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髙而減少，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(xù)，材料進入擠壓變形區(qū)或己在擠壓變 形區(qū)內的材料，以塑性變形為主，應變偏置在數值上大大超過體積應變，這時的等效應變主要取 決于應變偏童•相對密度愈髙，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(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明顯較快，而邊部較慢.由于中間流動塊從而相 對于邊部形成拉應力，相反，迪布流動較1S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ft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t
6、載荷和位移的關系
圖9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(wěn)定。
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7、等效塑性應變圖
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橫具時，有較大的塑性變化
8、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-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。
由模擬結果揭示了珩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.生物廣受到剪應力的作用，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限被墣充且生物質發(fā)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，富通新能源生產銷售的秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質燃料成型機械設備是客戶不錯的選擇。
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