引言
隨著常規(guī)能源的不斷消耗和環(huán)境保護(hù)的日益加強(qiáng)，生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用越來(lái)越受到人們的重視。目前生產(chǎn)應(yīng)用較多的生物質(zhì)成型技術(shù)有造粒成型、柱狀成型，而蜂窩狀生物質(zhì)成型技術(shù)正在逐步發(fā)展，它能夠改善農(nóng)村和部分城鎮(zhèn)的用能結(jié)構(gòu)，其利用的廣泛性遠(yuǎn)大于顆粒狀生物質(zhì)燃料。這種成型燃料與家用生鐵蜂窩煤爐配套使用，易于推廣。蜂窩狀生物質(zhì)成型燃料研究的關(guān)鍵在于原料的配方和
木屑顆粒機(jī)成型機(jī)理的研究。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元分析，模擬蜂窩狀生物質(zhì)燃料的成型過(guò)程，探討成型機(jī)理，從幾何非線性彈塑性理論出發(fā)，建立蜂窩狀生物質(zhì)燃料成型的力學(xué)模型，進(jìn)行有限元分析。
1、力學(xué)模型的建立
1.1模型類型的確立
在生物質(zhì)壓縮過(guò)程中，由于受熱和壓力的作用，生物質(zhì)顆粒緊密地粘結(jié)在一起，故可將其看成連續(xù)體。生物質(zhì)顆粒成型物對(duì)加載和卸載響應(yīng)各不相同。在加壓過(guò)程中，有限元發(fā)生移動(dòng)，以多種方式增強(qiáng)整體的剛度，故將生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程看成幾何非線性的彈塑性模型。
1.2幾何模型的確立
蜂窩狀生物質(zhì)成型燃料按照市場(chǎng)上普通蜂窩煤的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)。其外形為圓柱形，直徑為100 mm，高度為70 mm，均勻分布5個(gè)直徑為14 mm的通孔。在計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中，考慮到模型的對(duì)稱性，采用了對(duì)稱簡(jiǎn)化，取整體的1/4為模型，以減少運(yùn)算的復(fù)雜程度。
2、有限元分析
2.1前處理
2 .1.1單元的選取
擠壓成型過(guò)程主要考察材料的塑性、蠕變和應(yīng)力強(qiáng)化等方面的特征，同時(shí)考慮由于熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。在單元選取時(shí)選取有空間自由度的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，采用Solid95單元。該單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會(huì)降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型，對(duì)偏移形狀兼容性好。
2.1.2網(wǎng)格劃分
采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，該方法可自動(dòng)估計(jì)網(wǎng)格劃分誤差并細(xì)化網(wǎng)格。
2.2求解過(guò)程
擠壓過(guò)程以木屑為模擬對(duì)象。壓縮過(guò)程涉及到空間位移、溫度和壓力等載荷條件。側(cè)面和下表面采用全約束，四分之一模型截?cái)嗝娌捎脤?duì)稱約束，對(duì)上表面各節(jié)點(diǎn)施加壓力載荷。
本例采用幾何非線性模式，在求解過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生不收斂的問(wèn)題。為此，采取以下設(shè)置來(lái)避免不收斂。打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置一個(gè)最大限度( DELTIM)，確保所有重要的模態(tài)和特性將被精確地包含進(jìn)去；使用Newton - Raphson選項(xiàng)（帶校正的線性近似分析方法）和自適應(yīng)下降因子(NROPT)，在幾乎沒(méi)有載荷重新分配的情況下，通過(guò)關(guān)閉這個(gè)特性可以獲得更快的收斂性；使用線性搜索，線性搜素方法通常導(dǎo)致收斂。
2.3結(jié)果后處理
2.3.1靜水壓應(yīng)力
擠壓過(guò)程中，上表面各節(jié)點(diǎn)受到壓力，迫使整個(gè)成型塊有微小位移。以生物質(zhì)顆粒為研究對(duì)象，通過(guò)彼此間力的傳遞，產(chǎn)生的靜水壓應(yīng)力如圖1所示，其中，t表示壓縮過(guò)程中某一時(shí)刻，表示經(jīng)歷一個(gè)壓縮周期所需的時(shí)間。
由圖1可知，隨著壓力的增大，靜水壓應(yīng)力隨之增大。孔附近靜水壓應(yīng)力增加很迅速。但下半部分靜水壓應(yīng)力變化較緩慢，這與壓縮方式有關(guān)，這一現(xiàn)象可以用赫茲理論來(lái)解釋。在物料擠壓中，以上表面為研究對(duì)象，接觸面上只有分布的垂直壓力，符合赫茲理論的假設(shè)。根據(jù)赫茲理論，接觸區(qū)附近的變形受周圍介質(zhì)的強(qiáng)烈約束，各點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，且接觸應(yīng)力的分布呈高度局部性，且隨與接觸面距離的增加而迅速衰減。如果采用多次填料壓縮的方式，即將這一過(guò)程分成多個(gè)過(guò)程的結(jié)合，那么對(duì)于每個(gè)子過(guò)程而言，壓縮物的體積大大減少，各部分接觸應(yīng)力的差異隨之減少；對(duì)于整體而言，各部分靜水壓應(yīng)力的差異減少了，物料的塑性形變趨于一致，增強(qiáng)了整體的擠壓強(qiáng)度，壓實(shí)強(qiáng)度高，可提高成型物的耐久性。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的
顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)主要壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
2.3.2等效應(yīng)變
在孔附近的塑性應(yīng)變較大。在壓縮過(guò)程中，由于沖針的摩擦，使成型物出現(xiàn)剪切變形，越靠近孔的位置，剪切角越大。剪切力是造成成型物裂紋的原因。成型物由于剪切應(yīng)力的作用出現(xiàn)彈性膨脹和彈性滯后現(xiàn)象。彈性滯后和彈性膨脹迫使成型物在縱向開裂。在生產(chǎn)中可采取緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等手段來(lái)解決這一問(wèn)題。緩慢壓縮可使成型物在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力得到很好釋放，避免剪切應(yīng)力過(guò)于集中。從能量角度考慮，緩慢壓縮過(guò)程中各瞬時(shí)狀態(tài)可近似看成平衡狀態(tài)，某一時(shí)刻產(chǎn)生的彈性膨脹可及時(shí)地傳遞到壓縮接觸面，通過(guò)壓縮機(jī)提供的動(dòng)力加以克服，使成型塊內(nèi)部的能量得以釋放，一定程度上避免了成型物的皸裂。提高物料的軟化程度，可通過(guò)適當(dāng)提高壓縮過(guò)程中物料溫度的方式實(shí)現(xiàn)，降低物料表面結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬程度，使之表面張力減小，緩解壓縮過(guò)程中彈性膨脹和彈性滯后產(chǎn)生的皸裂。根據(jù)分析小變形和非彈性材料問(wèn)題時(shí)常用的假設(shè)應(yīng)變方法，以及多孔材料的塑性理論可知，多孔材料的等效應(yīng)變?nèi)Q于應(yīng)變偏量和應(yīng)變球張量?jī)刹糠郑此苄宰冃魏腕w積應(yīng)變。在此過(guò)程中，應(yīng)變偏量表現(xiàn)得很突出，極大地超過(guò)了應(yīng)變球張量，即表現(xiàn)為塑性變形。
2.3.3載荷與形變
擠壓開始時(shí)，壓縮物位移變化較小。壓縮開始時(shí)，顆粒間依靠表面張力抵抗外加載荷，造成顆粒位移不大。當(dāng)施加作用力達(dá)到一定值時(shí)，顆粒外形發(fā)生變化，出現(xiàn)塑性變形，表現(xiàn)出流動(dòng)性，顆粒位移變化快。壓力繼續(xù)增加時(shí)，位移不再增加，此時(shí)整體趨于穩(wěn)定。由于壓力的作用，顆粒之間的空隙被填滿，產(chǎn)生塑性形變，使原本不規(guī)則的形狀趨向規(guī)則化，如圖3所示，其中p表示在壓縮過(guò)程中作用于顆粒上的壓力。
進(jìn)一步增大壓力，顆粒之間的空隙越來(lái)越小，直至不再發(fā)生塑性形變。但是由于壓力的緩慢增加，顆粒受到的靜壓力有一個(gè)從不平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)的過(guò)程，由于這個(gè)過(guò)程的存在，不平衡的壓力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，迫使顆粒發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就使得顆粒進(jìn)一步被壓實(shí)，此時(shí)在整體外觀上沒(méi)有形變，只是內(nèi)部壓實(shí)過(guò)程，直到顆粒壓實(shí)到一定程度，內(nèi)部分子間作用力與外部作用力達(dá)到平衡，整個(gè)成型體就不再發(fā)生變化，趨于穩(wěn)定。
3、結(jié)論
(1)壓縮過(guò)程中采用分步填料壓縮，可增強(qiáng)蜂窩狀生物質(zhì)燃料的耐久性。
(2)通過(guò)對(duì)壓縮過(guò)程中的靜水壓應(yīng)力和等效應(yīng)變的分析發(fā)現(xiàn)，成型物在孔附近易出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際生產(chǎn)中可采用緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等方法加以解決。
