第4章 生物質秸稈致密成型有限元分析
4.1模型的建立
4.1.1建立分析模型
生物質秸稈
顆粒燃料致密成型過程看上去很簡單，但是在模具里物料的擠壓變形受到多種因素的影響，使得物料致密成型變得復雜。秸稈致密成型過程中，物料經喂料機構送到壓縮室，在壓輪作用下，顆粒之間相互擠壓變形最后粘結在一起成型。由于實際幾何模型的建立取決于眾多因素，但是在致密成型過程中為了方便研究問題，對模型適當的簡化，建立分析模型，如圖4-1所示。
本文根據實際情況作以下假設：
1)將生物質致密成型過程簡化為彈塑性體與剛性體的非光滑接觸計算模型；
2)不考慮材料內部的物理性能、攪拌、化學反應等現象；
3)將生物質秸稈原料看作連續均勻的物質；
4)不考慮溫度結構耦合問題。
秸稈物料在模具里受擠壓后出現大變形屬于非線性問題。非線性問題可以分為三類：幾何非線性、狀態變化和材料非線性[52]。本文研究的秸稈變形屬于狀態變化大變形接觸問題。分析模型主要由模具和秸稈物料構成，模具入口帶有一定的錐角，方便物料進入擠壓。本文主要研究成型孔對致密成型的影響，考慮結構及載荷的對稱性，對實際裝置進行簡化，采用軸對稱壓縮模型，采用ANSYS軟件建立二維幾何模型如圖4-2所示。
4.1.2設置有限單元類型和材料特性
在網格劃分之前，首先對有限元模型中將要用到的單元屬性進行定義，單元屬性一般包括：單元類型、實常數、和材料特性。
離散化有限單元模型包括兩部分內容：一是選擇適當的單元類型，主要是根據結構的尺寸和形狀進行選取，使結構的變化和幾何特征在這些單元中很好的體現；二是確定離散化的單元所用的個數。
有限元的基本思想在于將求解域離散化。對不同的求解域，選擇不同的單元屬性，這樣可以反映求解的特點，得到最優分析效果。所以，選擇有限單元類型很重要。如果選擇合適，分析計算會很快速準確；若選擇不當，分析結果可能出現較大的誤差，甚至有可能完全不對。
為適應不同的分析需要，ANSYS單元庫中提供了190多種不同的單元類型，從普通的線單元、面單元、實體單元（包括2維和3維單元）到特殊的接觸單元、間隙單元和表面效應單元等。每種單元類型唯一獨特的表示方法，單元類型決定了單元自由度以及它所在的空間。
本文生物質秸稈致密成型過程中主要涉及結構非線性分析，考慮到擠壓過程中物料出現大變形問題，所以選取單元必須具有塑性和大變形能力，本文選用2維4節點四邊形面單元PIAN182，每個節點具有X和Y方向的平移自由度，有較高的結構精度。該單元即可用作軸對稱單元，也可作為平面單元，具有大變形和大應變能力。擠壓模型選用TARGET169單元進行模擬。擠壓模和生物質秸稈是在材料屬性上也不同，給定的材料參數如表4-1所示。
4.13模型網格劃分
建立好壓縮模型之后，對模型其進行網格化分。網格劃分是整個分析過程最重要的步驟之一，劃分網格時對不同材料構件設置相應的材料屬性。網格劃分的好壞對計算結果的準確性和計算進度有很大的影響，如果網格劃分的不合理可能會導致計算結果不準確，嚴重時不收斂。
一般網格劃分有兩種方式：自由網格劃分和映射網格劃分。自由網格劃分沒有特定的規則，對單元形狀沒有任何要求，基本適用于所有的模型，劃分的網格也不規則。映射網格劃分比較規則，一般映射體網格只包含六面體單元，而映射面網格既包含三角形又包含四邊形形單元。映射網格劃分適用于形狀規則的面或體。選擇好網格類型對建好的模型進行網格劃分很重要，對計算時間和結果影響很大。根據實際情況確定采用自由還是映射網格進行分析。在本文中，由于模型形狀比較規則，采用易于收斂的映射網格劃分。劃分的網格如圖4-3所示。
4.1.4接觸單元的定義
秸稈物料在致密成型過程中物料和模具之間存在摩擦和擠壓的現象，涉及到了接觸問題，所以必須建立接觸單元，進行接觸分析。
接觸問題一般分為剛體和柔體的接觸、半柔體和柔體接觸兩種類型。當剛體和柔體接觸時，一個或多個接觸面被當作剛體。在軟質材料和硬質材料接觸時，‘可看做為柔體一剛體的接觸問題，許多非金屬和金屬成型問題都屬于柔體一剛體的接觸問題。另一類，是軟質材料和軟質材料的接觸，即柔體一柔體的接觸，是一種比較常見的接觸類型，通常這種情況下，兩個接觸體有近似的剛度，它們都屬于變形體。
前面所述生物質秸稈由于成型擠壓過程中擠壓模和玉米秸稈之間存在擠壓、滑動摩擦現象，進行有限元分析時必須建立接觸副( Contact Pair)。
ANSYS支持三種接觸方式：點一點接觸，點一面接觸，‘面—面接觸。
在分析問題時必須確認模型中的哪些部分可能會相互接觸，然后再給接觸問題建模，如果相互接觸的是一點，那么模型對應的組元就是一個節點。如果相互接觸的有一個是面，那么模型的對應組元是單元。有限元模型接觸匹配對通過指定的接觸單元來識別，接觸單元是一層單元，它主要依附在分析模型接觸面之上的[55l，
1)面一面的接觸單元 ，
ANSYS中提供了用來處理剛體一柔體和柔體—柔體面面接觸問題的單元，實體的接觸關系通過這些單元“目標面”和“接觸對”來模擬。
剛性面被當作“目標面”，分別用Targe169和Targe170來模擬，柔性體的表面被當作“接觸面”，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174來模。擬一個“接觸對”包括一個目標單元和一個接觸單元。共享的實常數實現了接觸對的程序，通常給建立好的“接觸對”的指定相同的實常數。
面一面接觸與點—面接觸相比有以下優點：
①支持大變形，協調剛度陣計算，不對稱單元剛度陣的計算等。
②支持低階單元和高階單元。
③提供可用于工程目的采用的更合適的接觸結果，如法向壓力和摩擦應力。
④沒有剛體表面形狀的限制，允許有自然的或網格離散引起的表面不連續。
⑤與點一面接觸單元相比，不需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU計算時間較短。
⑥允許多種建�？刂�，如目標面自動移動到初始接觸位置、綁定接觸、平移接觸面和支持單元死活等。
2)點一面接觸單元
點一面的接觸行為主要通過點一面接觸單元來建模。Contact175、Contact26、Contact48和Contact49都是點一面接觸單元，都支持相對滑動、大變形，接觸面之間也不需要保持一致的網格。面一面的接觸問題可以通過點一面的接觸單元定義一組節點定義接觸面來模擬。
3)點一點接觸單元
點一點的接觸行為主要通過點一點接觸單元來模擬。為了使用點一點接觸單元，必須知道接觸位置，點一點的接觸問題僅適用于接觸面之間有較小相對滑動。
本文中模具的剛度遠大于秸稈物料的剛度，模具與秸稈物料之間的接觸是軟質材料與硬質材料之間的接觸，屬于一對剛體—柔體接觸。摩擦行為由庫侖定律處理，摩擦系數取0.2。采用二維的面面接觸單元(TARGET169和CONTACT172)，模具是剛性體，為目標面，用TARGET169單元；玉米秸稈是柔性體，為接觸面，用CONTACT172單元。接觸對模型如圖4-4所示。
4.2施加載荷并求解
ANSYS軟件中的載荷包括了所有的邊界條件（約束、支承或邊界場的參數）、外部或內部的作用效應。我們所用的荷載一般分為六種不同類型：
1) DOF約束(DOF constraint):用于對模型自由度的限定，已知量表示某個給定的自由度。
2)力( force):施加在模型節點上的集中載荷。
3)表面載荷(surface load):施加于某個單元上的分布載荷，包括線分布和面分布。
4)體積載荷(body load):為體積或場載荷，作用在體積或場域內。
5)慣性載荷(inertia loads):主要用在結構分析中，是由慣性引起的載荷。
6)耦合場載荷(coupled-fidld loads):是上載荷的一種特殊情況，一種結果作用為另一分析的載荷。
本文主要模擬秸稈致密成型過程中的應力應變分布以及模具內物料的流變規律，分析物料的受力和變形問題。給模具的外表面和底部施加固定約束，給物料上表面施加一個Y方向的位移載荷，如圖4-5所示。
完成了約束及載荷的施加，進入ANSYS求解器(solution)，由于生物質致密成型屬于非線性問題，容易出現不收斂的情況，為避免計算結果不收斂，在本文分析時針對非線性分析的選項中打開了線性搜索和變形預測，設定大位移選項( Largedisplacement static)并在求解選項中打開了自動時間步長，計算時選用選Full N-Runsyrnm求解器，如圖4-6所示。
完成求解設置以后便可以進行靜態結構有限元分析。
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