利用ANASYS分析秸秆的压缩过程

　　引言

　　能源与环境两大难题对人类今后发展造成了不可估量的压力: 一方面，能源作为全球经济发展最为重要的动力将在不久的未来消耗殆尽; 另一方面，传统能源在日常使用中给全世界人民带来了各种污染。

　　生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，它以生物质( 通过光合作用而形成的各种有机体) 为载体，直接或间接地来源于绿色植物的光合作用。生物质资源的可再生性和环保性可以完美地克服上述化石能源的两个致命缺点。因此，开发生物质能是实现社会可持续发展的必由之路。

　　1 总体阐述

　　五柱塞秸秆燃料成型机是在原有三柱塞式基础上加以改进，在生物质成型过程中还存在很多问题，如成品出现裂纹、秸秆块成型不实、能耗过高等。本研究的目的就是为了进一步增大生物质燃料的产量，降低能耗，在此基础上针对五柱塞秸秆燃料成型机的秸秆压缩成型过程进行分析，具体步骤为: 成型过程模型建立; 利用 ANASYS 进行应力、流动、剪应力分析; 模具锥形孔角度对秸秆成型影响。2 模型的建立秸秆原料经过粉碎成颗粒状后通过活塞式冲压。。

　　成型，根据不同受力情况可分为输送、挤压、成型 3 个过程。秸秆颗粒在成型过程中受到热和力作用，性质变得较为复杂。所以，选取挤压阶段为主要分析对象，将其中一些影响生物质成型的次要因素省略，抓住最主要的性质。模型建立原则如下: 秸秆颗粒在挤压成型阶段受到热和力作用，由于木质素熔融颗粒粘黏在一起，可以把单个颗粒变形视为一个集合体变形，即将其视为连续介质。根据 Solidworks 中建立的模具结构特点，将其简化为二维轴对称模型。

　　2． 1 模型的单元类型

　　在有限元建模过程中，将模型简化为二维平面模型。综合考虑秸秆压缩中的塑性和大变形等因素，选取二维八节点单元的 PLANE82 单元。PLANE82 是二维四节点单元( PLANE42) 的高阶版本。对于三角形和四边形混合网格有较高的精度，而且可以适应不规则形状。本单元有 8 个节点，每个节点有 2 个自由度( 即 x 和 y 方向的平移) ，可以作为平面单元也可以作为轴对称单元。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度和大应变能力。在 ANSYS 单元类型关键字中选择 KEYOPT( 3) = 1，即为轴对称单元类型。

　　2． 2 模型的材料属性

　　本章以秸秆颗粒为模拟对象，在秸秆压缩成型过程中秸秆与模具存在摩擦因此建立两种材料模型。材料属性如表 1 所示。【表1】

　　2． 3 模型的网格划分

　　由于模型为关于 Y 轴对称，故采用轴对称模型。视为连续质的秸秆材料因模型较为规整，对其单元尺寸进行设定后采用自由划分。秸秆压缩模具模型具有不规则性，如果采用自由网格划分则会出现不固定的单元形状，在运算中会出现计算量大、不易收敛的境况; 而映射划分对几何模型形状有严格的控制，平面几何形状由三边或四边形构成，如果模型变数较多则采用连接法将其转化为四边形。因此，网格划分中秸秆材料采用自由网格划分，模具采用映射网格划分。秸秆材料 X 方向划分 16 份，Y 方向划分 100 份，模具采用映射网格划分控制计算精度和提高收敛性，网格划分如图 1 所示。【图1略】
　　
　　2． 4 定义接触

　　秸秆在挤压成型过程中会与模具产生摩擦与挤压现象，所以在利用 ANSYS 软件进行分析时必须建立接触单元。ANSYS 中接触问题基本可以分为刚体-柔体接触、柔体-刚体接触两种情况。在刚体-柔体接触中，接触面的一个或多个被当作刚体。通常情况下，软质材料和硬质材料接触时，可视为刚体-柔体的接触。在秸秆在压缩成型过程中，秸秆表面与模具金属表面接触属于刚-柔体接触。ANSYS 中支持刚-柔体面面接触。刚体被定义为“目标面”，可以用 TARGE169( 2D) 和 TARGE( 3D) 单元来模拟。柔性体的表面被定义为“接触面”，用 CONTA171、CON-TA172、CONTA173、CONTA174 来模拟。一个目标单元和一个接触单元称作“接触对”。

　　2． 5 建立接触对

　　在秸秆原料挤压成型过程中，秸秆颗粒与模具相互挤压摩擦，秸秆原料发生较大的塑性变形，模具与其相比较变形量可以忽略不计。所以，定义秸秆原料与模具之间接触关系为刚体-柔体接触。秸秆原料与模具相互挤压过程中定义接触单元和目标单元分别为 CONTA172 和 TATGE169。TATGE169 单元能够较好地模拟复杂形状的目标面。CONTA172 可以用来描述二维目标面与变形面之间的接触与滑动。

　　在 ANSYS 前处理中使用接触对( Contact Pair) ，来定义刚性目标面和柔性体接面: 在接触向导设置目标面( Target Surface) 为 Lines; 接触类型( Target Type) 为Rigid; 接触单元类型 ( Contact Element Type ) 设置为面-面( Surface-to-Surface) 。

　　2． 6 添加载荷与约束

　　玉米秸秆在压缩成型过程中受温度、力、含水率等条件影响。秸秆顶部上方添加 Y 方向垂直向下位移作为载荷。因为模具为轴对称形式，为了方便计算机运算，固将模型简化为 1/2 轴对称模型进行载荷与约束添加。约束与载荷分布如图 2 所示。【图2略】
　　
　　定义新的分析( New Analysis) 为静态( Static) 。因秸秆在压缩成型过程中会产生较大变形，所以需设定Sol·n control 中 Large displacement 选项，再将线性搜索( Line Search) 打开，有利于计算平稳。
　　
　　3 秸秆压缩过程分析

　　3． 1 秸秆压缩成型应力变化过程

　　图 3 反映了秸秆在压缩过程中等效应力变化过程。秸秆材料进入模具开始挤压时，成型块大部分区域等效应力变化不明显。随着挤压面积增大，秸秆颗粒在摩擦力和剪应力作用下相互挤压成型，成型区域内应力主要集中在模具锥形孔范围。在挤压过程中秸秆颗粒表面与模具接触处的应力比中心大，引起应力分布不均匀的情况，容易产生表面裂纹等缺陷; 而模具在图 3 中反映出较为容易磨损位置为锥形孔上端与下端，最大等效应力值为 82． 7MPa。【图3略】
　　
　　3． 2 秸秆压缩成型流动变化

　　图 4、图 5 由于轴对称挤压流动较为均匀，网格变形反映了材料受到模具挤压时的流动情况。可以看出，秸秆原料在 x、y 向上的网格均发生了明显变化，尤其与模具相接触区域变化更为明显。这是由于秸秆原料在压缩过程中与模具之间产生摩擦，导致中间区域略滞后于接触区域。随着挤压过程的推移，中间部分变形逐渐恢复平稳，接触区域变形趋于稳定。【图4-5略】
　　
　　3． 3 秸秆压缩成型剪应力变化过程

　　在秸秆挤压成型过程中，秸秆颗粒受到剪应力作用范围主要集中在模具锥形面接触区域。随着挤压成型过程推进，剪应力随之增大。秸秆块在挤压成型后，因剪应力的影响沿直径方向会产生弹性滞涨与膨胀，最后将导致秸秆块挤出后表面出现裂痕影响成型效果。如图 6 所示，剪应力的增大能提高秸秆块密度，但过大的剪应力又会导致秸秆块表面出现裂纹。模具锥形孔的角度直接影响着剪应力大小，选择合适的锥形孔角度将有利于最终秸秆成型效果。【图6略】
　　
　　3． 4 模具锥形孔角度对秸秆成型影响

　　通过分析秸秆在压缩过程中剪应力对其影响，可以得出模具锥形角在秸秆成型过程中起主要作用。在 ANSYS 软件中，在模型模具锥形孔角度分别为12°、15°、18°，材料属性、单元类型、接触对相同和载荷等参数不变的条件下进行模拟仿真，得出等效塑性应变图，如图 7 ～ 图 9 所示。【图7-9略】
　　
　　4 结果与讨论

　　由于秸秆原料在压缩过程中与模具之间产生摩擦，导致中间区域略滞后于接触区域; 并且当物料进入模具开始挤压时，成型区域的内应力主要集中在模具锥形孔范围。在挤压过程中，秸秆颗粒表面与模具接触处的应力比中心大。其中，剪应力也随着挤压过程越来越大，因剪应力的影响沿直径方向会产生弹性滞涨与膨胀，导致挤出秸秆块表面出现裂痕。剪应力的增大能提高秸秆块密度，但过大的剪应力又会导致秸秆块表面出现裂纹。根据分析，模具锥形孔的角度直接影响着剪应力大小。当模具锥形孔为 12°时，随着位移载荷增大，秸秆应力变形主要集中在中间部分; 当在进入保型段时，秸秆颗粒向中间部位移动较少，中间变形不明显，容易造成最后挤压出的秸秆块成型不实。当模具锥形孔为 18°时，由于剪应力增大，秸秆颗塑性变形效果较好; 但是相应地带来了剪应力增大，会造成最后秸秆块表面出现大的裂纹。当模具锥形孔为 15°时，能较好地平衡剪应力大小与成型密度两者关系。

　　5 结论

　　通过利用 SolidWorks 软件对五柱塞秸秆成型机进行建模、ANSYS 有限元软件对秸秆压缩成型过程进行计算机模拟，得到等效应力图、流动变化图 、时间历程剪应力图，可以看出应力、流动、剪应力的变化情况。

　　通过对上述图形分析，得到模具锥形孔角度大小与压缩成型效果之间的关系。再进一步比较分析当模具锥形孔 12°、15°、18°时秸秆挤压过程中等效塑性变化图，结果表明: 当锥形孔角度为 15°时，秸秆压缩成型效果较好，为今后模具结构参数提供了理论基础。

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