蜂窩狀生物質(zhì)燃料固化成型有限元分析

1、2009年2月農(nóng)業(yè)機械學(xué)報第40卷第2期蜂窩狀生物質(zhì)燃料固化成型有限元分析孫清1白紅春1趙旭1易維明2(11沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,沈陽110161;21山東理工大學(xué)輕工與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,淄博255049【摘要】根據(jù)生物質(zhì)可壓縮性以及成型物具有一定硬度等特點,將生物質(zhì)成型過程看成非線性有限元問題。建立力學(xué)模型,利用ANSYS 軟件分析成型過程中的靜水壓應(yīng)力、等效應(yīng)變以及載荷與形變的關(guān)系,提出分段填料壓縮可提高成型物的耐久性,采用緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等方法可以防止成型物出現(xiàn)裂紋。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能蜂窩狀生物質(zhì)燃料擠壓有限元分析中圖分類號:S21612;T K6文獻標識碼:AFinite Ele

2、ment Analysis of H oneycomb Biomass Fuel Press BriquettingSun Qing 1Bai Hongchun 1Zhao Xu 1Y i Weiming 2(11Engineering College ,S henyang A gricultural U niversity ,S henyang 110161,China 21School of L ight Indust ry and A griculture Engineering ,S handong U niversity of Technology ,Zibo 255049,Chin

3、a AbstractBased on the biomass properties of compressing and the pressed product of honeycomb biomass fuel with the characters of hardness ,the process of biomass pressing can be regarded as nonlinear finite element problem.The mechanics model was created by using ANSYS software to analysis thehydro

4、static pressure during the process of biomass briquetting ,the equivalent strain and the relation between load and deformation ,the way of using more times to add filler and compress to enhance the durability was put forward ,and by applying the method of slowly compressing ,materials degree of soft

5、ness was improved so as to prevent the honeycomb biomass fuel appearing crack.K ey w ords Biomass energy ,Honeycomb biomass fuel ,Extrusion ,Finite element analysis收稿日期:2008205219修回日期:2008205229引言隨著常規(guī)能源的不斷消耗和環(huán)境保護的日益加強,生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用越來越受到人們的重視。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

6、結(jié)構(gòu),其利用的廣泛性遠大于顆粒狀生物質(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成型機理的研究。本文通過計算機有限元分析,模擬蜂窩狀生物質(zhì)燃料的成型過程,探討成型機理,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,進行有限元分析。1力學(xué)模型的建立111模型類型的確立在生物質(zhì)壓縮過程中,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)顆粒成型物對加載和卸載響應(yīng)各不相同。在加壓過程中,有限元發(fā)生移動,以多種方式增強整體的剛度,故將生物質(zhì)壓縮成型過程看成幾何非線性的彈塑性模型。112幾何模型的確

7、立蜂窩狀生物質(zhì)成型燃料按照市場上普通蜂窩煤的標準進行外觀設(shè)計。其外形為圓柱形,直徑為100mm ,高度為70mm ,均勻分布5個直徑為14mm的通孔。在計算機模擬過程中,考慮到模型的對稱性,采用了對稱簡化,取整體的1/4為模型,以減少運算的復(fù)雜程度。2有限元分析211前處理21111單元的選取擠壓成型過程主要考察材料的塑性、蠕變和應(yīng)力強化等方面的特征,同時考慮由于熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。在單元選取時選取有空間自由度的三維實體結(jié)構(gòu)模型,采用Solid95單元。該單元能夠容許不規(guī)則形狀,并且不會降低精確性,特別適合邊界為曲線的模型,對偏移形狀兼容性好。21112網(wǎng)格劃分采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法,該方法可自

8、動估計網(wǎng)格劃分誤差并細化網(wǎng)格。212求解過程擠壓過程以木屑為模擬對象。壓縮過程涉及到空間位移、溫度和壓力等載荷條件。側(cè)面和下表面采用全約束,四分之一模型截斷面采用對稱約束,對上表面各節(jié)點施加壓力載荷。本例采用幾何非線性模式,在求解過程中可能會發(fā)生不收斂的問題。為此,采取以下設(shè)置來避免不收斂。打開自動時間步長,對時間步長設(shè)置一個最大限度(DEL TIM ,確保所有重要的模態(tài)和特性將被精確地包含進去;使用Newton 2Raphson 選項(帶校正的線性近似分析方法和自適應(yīng)下降因子(NROPT ,在幾乎沒有載荷重新分配的情況下, 通過關(guān)閉這個特性可以獲得更快的收斂性;使用線性搜索,線性搜索方法通常

9、導(dǎo)致收斂。213結(jié)果后處理21311靜水壓應(yīng)力擠壓過程中,上表面各節(jié)點受到壓力,迫使整個成型塊有微小位移。以生物質(zhì)顆粒為研究對象,通過彼此間力的傳遞,產(chǎn)生的靜水壓應(yīng)力如圖1所示,其中,t 表示壓縮過程中某一時刻,T 表示經(jīng)歷一個壓縮周期所需的時間。圖1靜水壓應(yīng)力模擬圖Fig.1Graphics of hydrostatic pressure simulation(a t =012T (b t =016T (c t =T由圖1可知,隨著壓力的增大,靜水壓應(yīng)力隨之增大?？赘浇o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解釋。在物料擠壓中 ,以上表

10、面為研究對象,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)的強烈約束,各點處于三向應(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,即將這一過程分成多個過程的結(jié)合,那么對于每個子過程而言,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,增強了整體的擠壓強度,壓實強度高,可提高成型物的耐久性。21312等效應(yīng)變圖2為壓縮體的等效應(yīng)變圖。圖2擠壓終止時等效應(yīng)變圖Fig.2Equivalent strain at the end of

11、 compression從圖中可知,等效應(yīng)變與靜水壓應(yīng)力較為一致。在孔附近的塑性應(yīng)變較大。在壓縮過程中,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1。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2。在生產(chǎn)中可采取緩慢壓縮和提高801農(nóng)業(yè)機械學(xué)報2009年物料的軟化程度等手段來解決這一問題。緩慢壓縮可使成型物在壓縮過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力得到很好釋放,避免剪切應(yīng)力過于集中。從能量角度考慮,緩慢壓縮過程中各瞬時狀態(tài)可近似看成平衡狀態(tài),某一時刻產(chǎn)生的彈性膨脹可及時地傳遞到壓縮接觸面,通過壓縮機提供的動力加以

12、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,可通過適當提高壓縮過程中物料溫度的方式實現(xiàn),降低物料表面結(jié)構(gòu)的堅硬程度,使之表面張力減小,緩解壓縮過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題時常用的假設(shè)應(yīng)變方法3,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)變球張量兩部分,即塑性變形和體積應(yīng)變1。在此過程中,應(yīng)變偏量表現(xiàn)得很突出, 極大地超過了應(yīng)變球張量,即表現(xiàn)為塑性變形。21313載荷與形變擠壓開始時,壓縮物位移變化較小。壓縮開始時,顆粒間依靠表面張力抵抗外加載荷,造成顆粒位移不大。當施加作用力達到一定值時,顆粒外

13、形發(fā)生變化,出現(xiàn)塑性變形,表現(xiàn)出流動性,顆粒位移變化快。壓力繼續(xù)增加時,位移不再增加,此時整體趨于穩(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 表示在壓縮過程中作用于顆粒上圖3顆粒受靜水壓應(yīng)力產(chǎn)生塑性形變原理圖Fig.3Plastic deformation principle graphics ofmaterials caused by hydrostatic pressure的壓力。進一步增大壓力,顆粒之間的空隙越來越小,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從不平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)的過程,由于這個過

14、程的存在,不平衡的壓力會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動扭矩,迫使顆粒發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動,這就使得顆粒進一步被壓實,此時在整體外觀上沒有形變,只是內(nèi)部壓實過程,直到顆粒壓實到一定程度,內(nèi)部分子間作用力與外部作用力達到平衡,整個成型體就不再發(fā)生變化,趨于穩(wěn)定。3結(jié)論(1壓縮過程中采用分步填料壓縮,可增強蜂窩狀生物質(zhì)燃料的耐久性。(2通過對壓縮過程中的靜水壓應(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。參考文獻1湯愛君,馬海龍,董玉平.生物質(zhì)擠壓過程中的靜水壓應(yīng)力J .可再生能源,2006,35(2:2831.Tang Aijun ,Ma Hailo

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