0、引言
秸稈類生物質(zhì)資源非常豐富，但作為一種能源，存在松散、形態(tài)各異、能量密度小、運(yùn)輸不便、儲存和使用占用空間大的缺點，這是制約現(xiàn)有生物質(zhì)規(guī)模化利用的“瓶頸”，松散生物質(zhì)屬于可壓縮材料，致密化即固化成型是提高松散生物質(zhì)制品性能的關(guān)鍵．目前國內(nèi)外生物質(zhì)固化成型方法雖有多種，但其成型基礎(chǔ)為：生物質(zhì)材料中含有“木質(zhì)素”，在成型過程中“木質(zhì)素”在一定的溫度和壓力下產(chǎn)生“軟化”、“熔融”，然后施加一定壓力將松散生物質(zhì)壓制成型，對于熱壓成型的生物質(zhì)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(jī)械磨損、螺桿擠壓頭壽命短等問題．對不同生物質(zhì)在不同壓力、不同溫度條件下的成型機(jī)理、成型密度的研究，涉及因素較多、條件復(fù)雜，為從機(jī)理、功能、技術(shù)和系統(tǒng)配套上有效解決上述生物質(zhì)能開發(fā)過程中存在的問題和技術(shù)難點，利用有限元法對生物質(zhì)成型過程進(jìn)行模擬，以研究生物質(zhì)成型的機(jī)理和揭示在成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變及其歷史演化規(guī)律，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，現(xiàn)在被大多數(shù)人采用的是環(huán)模式的
顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)成型設(shè)備。
生物質(zhì)原料在成型前要粉碎成粉狀，其應(yīng)屬于非連續(xù)介質(zhì)，研究方法應(yīng)為非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，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(zhì)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(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，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(xué)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(zhì)有重要的相似性，即屈服過程伴隨有體積變化．試圖從土塑性力學(xué)理論出發(fā)，尋找建立可壓縮材料變形過程的力學(xué)模型。
1、力學(xué)模型的建立
應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS模擬螺旋式壓縮成型過程進(jìn)行研究，按物料的不同其受力情況可分為3段，即輸送段、擠壓段、保型段，選取成型的主要階段擠壓段作為研究對象．
1.1模型類型的確立
生物質(zhì)在輸送段，由于加熱和螺桿的擠壓作用，松散的物料到達(dá)擠壓階段近乎粘連在一起，從宏觀上可視為連續(xù)介質(zhì)，根據(jù)其變化情況可視作彈塑性模型。
1.2幾何模型的確立
在建立幾何模型時，對實際物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將襯套和其外體合二為一，只建1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1段進(jìn)行研究，其大小為0.018 m×0.025 m.
1.3材料參數(shù)
以木屑作為要模擬的對象．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(yùn)動當(dāng)中會有摩擦產(chǎn)生，因此，建立3種材料模型，相應(yīng)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(yīng)力場，分析在擠壓過程中木屑的受力情況，探討其變形趨勢．因此，分析中的自由度主要包括平面位移X，y．表1給出了各材料參數(shù)．
1.4網(wǎng)格劃分
1.4.1單元的選取
壓縮成型過程中主要涉及到結(jié)構(gòu)分析問題，并考慮溫度導(dǎo)致的膨脹而引起的熱應(yīng)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．plane82是8節(jié)點的高階二維平面單元，它有較高的模擬精度、好的協(xié)調(diào)位移形狀，非常適合模擬彎曲的邊界，這個單元有塑性、蠕變、剛度硬化、大應(yīng)變能力。
1.4.2網(wǎng)格劃分方法
在擠壓模的網(wǎng)格劃分中，為了能對節(jié)點和單元的分布進(jìn)行有效的控制，根據(jù)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(wǎng)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(wǎng)格需要非常細(xì)密，其單元尺寸采用0.0001 m;擠壓模的網(wǎng)格較粗糙，其單元尺寸選用0.005 m。
1.5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(xiàn)象，進(jìn)行有限元分析時必須建立接觸副(Contact Pair)，用以計算2令物體之間的這種運(yùn)動．接觸分析是非常復(fù)雜的非線性問題，需要大量的計算資源．
1.5.1單元的選取
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．基于本文的實際情況，采用面一面接觸單元，目標(biāo)單元169和接觸單元171。
1.5.2接觸分析的環(huán)境設(shè)置
在擠壓成型過程中，有2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(yīng)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一面接觸，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(yīng)視作剛一柔體的接觸．接觸單元的建立如前所述，接觸單元可以和面上的低階和高階單元相配合．其次，應(yīng)用面一面接觸單元模擬，可以在網(wǎng)格劃分后利用接觸向?qū)В纠校捎贸Ｒ驍?shù)摩擦法，按照庫侖定律計算摩擦力．選擇不對稱來計算摩擦問題，取KEYOPT(6)=1。
2、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(yīng)用的載荷、約束、邊界條件等包括位移( Displacement)、溫度（Temperature）、壓力（ness）等，擠壓模和機(jī)器本體相連，其外表面為固定約束，另截取的兩端面原和機(jī)器的其它部件固定相連，同樣，這2個表面也采用固定約束．由于結(jié)構(gòu)采用對稱形式，木屑的左邊采用對稱約束．在木屑的頂部施加壓力和位移作為載荷。
由于本例是非線性問題，涉及的內(nèi)容非常復(fù)雜，為避免計算過程中出現(xiàn)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(shè)定Large displacementstatic；然后，Analysis option中設(shè)Luge deform effect為On，并且在Newton-Raphson -Option中選Full N-R un-symm，使用Full N-R unsymm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。
3、擠壓過程中材料流動變化圖
圖2～圖4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2描述成型初始階段，弧頂開始出現(xiàn)；圖3—圖4可以看到擠壓件的成長過程。
圖5—圖6是被擠壓件擠壓過程最后時刻的變形放大圖，分別為頂端和尾端的局部放大圖，從圖中可更清楚的了解網(wǎng)格的變形情況，網(wǎng)格的變形反映了材料受擠壓時的流動情況．橫向坐標(biāo)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，中間部分的變形逐浙趨平，兩側(cè)的變形恢復(fù)較小，最后，被擠壓件的狀態(tài)趨于穩(wěn)定，
縱向坐標(biāo)也發(fā)生了劇烈變化，在模具頭部靠近模具的縱向坐標(biāo)向外彎曲，這是由于心部的毛胚流動快，而兩側(cè)的毛胚和模具由于接觸產(chǎn)生摩擦致使毛胚流動較慢所造成，這時表面受拉應(yīng)力，引起頂部凹陷，但隨著擠壓的深入，擠壓力越來越大，兩側(cè)縱向坐標(biāo)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(wǎng)格經(jīng)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擦阻力的影響較大以及模具形狀的影響，使得內(nèi)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(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定變形以后，相應(yīng)處的剪切角也基本保持不變．這種剪切應(yīng)力將會造成制品的橫向裂紋，而且，制品在擠出后，因剪切應(yīng)力的影響沿直徑方向會產(chǎn)生彈性膨脹和彈性滯后現(xiàn)象，彈性滯后和彈性膨脹往往導(dǎo)致制品沿縱向開裂．因此，在實際生產(chǎn)中，可降低擠壓速度和適當(dāng)提高溫度來解決這一問題。
根據(jù)多孔材料的塑性理論知，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。兩部分，即塑性變形和體積應(yīng)變．由前面分析可知，在擠壓時，在靠近擠壓模一側(cè)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(yīng)變主要取決于應(yīng)變球張量，而相對密度愈低，體積應(yīng)變愈大，因此在這一階段等效應(yīng)變隨初始相對密度的升高而減少，且體積應(yīng)變的數(shù)值較小，相對應(yīng)等效應(yīng)變的數(shù)值也較小．隨著擠壓過程的繼續(xù)，材料進(jìn)入擠壓變形區(qū)或已在擠壓變形區(qū)內(nèi)的材料，以塑性變形為主，應(yīng)變偏量在數(shù)值上大大超過體積應(yīng)變，這時的等效應(yīng)變主要取決于應(yīng)變偏量．相對密度愈高，其宏觀塑性變形越大．根據(jù)多孔材料的應(yīng)變關(guān)系，流動應(yīng)力與等效應(yīng)變具有相同的變化規(guī)律。
4、矢量位移（第150步）
從矢量位移圖圖7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．由于中間流動快而相對于邊部形成拉應(yīng)力，相反，邊部流動較慢且和擠壓模接觸，則在邊部形成壓應(yīng)力．對于木屑而言，由于拉、壓應(yīng)力的存在，在其內(nèi)部形成附加應(yīng)力，如果兩者的流速相差很大，則附加應(yīng)力隨之增加，這對于成型質(zhì)量有很大影響，很大的附加應(yīng)力會使成型產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋，甚至破碎。
5、載荷和位移的關(guān)系
圖8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(dá)到最大值，隨之急劇下降，逐漸趨于穩(wěn)定。
6、等效塑性應(yīng)變圖
圖9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模具時，有較大塑性變化。
7、結(jié)論
根據(jù)生物質(zhì)固化成型的主要特點，建立了數(shù)值模擬的力學(xué)模型，在建立力學(xué)模型中，主要考慮以下幾個方面：
(1)網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，映射網(wǎng)格劃分的單元形狀一致，計算時易收斂。
(2)接觸單元采用面一面接觸單元，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(shè)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(jié)果揭示了擠壓過程中生物質(zhì)的流變特性，在流動過程中，由于受到模具壁摩擦力的影響，生物質(zhì)受到剪應(yīng)力的作用，而剪應(yīng)力是造成制品出現(xiàn)裂紋的原因；擠壓過程中的壓應(yīng)力和等效應(yīng)變，使生物質(zhì)內(nèi)部中的間隙被填充且生物質(zhì)發(fā)生了變形，從而使生物質(zhì)被壓縮．經(jīng)過擠壓段后，材料中壓應(yīng)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(xiàn)反彈；最后分析了載荷和位移的關(guān)系。
