引言
能源與環境兩大難題對人類今后發展造成了不可估量的壓力: 一方面，能源作為全球經濟發展最為重要的動力將在不久的未來消耗殆盡; 另一方面，傳統能源在日常使用中給全世界人民帶來了各種污染。
生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，它以生物質\\( 通過光合作用而形成的各種有機體\\) 為載體，直接或間接地來源于綠色植物的光合作用。生物質資源的可再生性和環保性可以完美地克服上述化石能源的兩個致命缺點。因此，開發生物質能是實現社會可持續發展的必由之路。
1 總體闡述
五柱塞秸稈燃料成型機是在原有三柱塞式基礎上加以改進，在生物質成型過程中還存在很多問題，如成品出現裂紋、秸稈塊成型不實、能耗過高等。本研究的目的就是為了進一步增大生物質燃料的產量，降低能耗，在此基礎上針對五柱塞秸稈燃料成型機的秸稈壓縮成型過程進行分析，具體步驟為: 成型過程模型建立; 利用 ANASYS 進行應力、流動、剪應力分析; 模具錐形孔角度對秸稈成型影響。2 模型的建立秸稈原料經過粉碎成顆粒狀后通過活塞式沖壓。。
成型，根據不同受力情況可分為輸送、擠壓、成型 3 個過程。秸稈顆粒在成型過程中受到熱和力作用，性質變得較為復雜。所以，選取擠壓階段為主要分析對象，將其中一些影響生物質成型的次要因素省略，抓住最主要的性質。模型建立原則如下: 秸稈顆粒在擠壓成型階段受到熱和力作用，由于木質素熔融顆粒粘黏在一起，可以把單個顆粒變形視為一個集合體變形，即將其視為連續介質。根據 Solidworks 中建立的模具結構特點，將其簡化為二維軸對稱模型。
2． 1 模型的單元類型
在有限元建模過程中，將模型簡化為二維平面模型。綜合考慮秸稈壓縮中的塑性和大變形等因素，選取二維八節點單元的 PLANE82 單元。PLANE82 是二維四節點單元\\( PLANE42\\) 的高階版本。對于三角形和四邊形混合網格有較高的精度，而且可以適應不規則形狀。本單元有 8 個節點，每個節點有 2 個自由度\\( 即 x 和 y 方向的平移\\) ，可以作為平面單元也可以作為軸對稱單元。本單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度和大應變能力。在 ANSYS 單元類型關鍵字中選擇 KEYOPT\\( 3\\) = 1，即為軸對稱單元類型。
2． 2 模型的材料屬性
本章以秸稈顆粒為模擬對象，在秸稈壓縮成型過程中秸稈與模具存在摩擦因此建立兩種材料模型。材料屬性如表 1 所示?！颈?】
2． 3 模型的網格劃分
由于模型為關于 Y 軸對稱，故采用軸對稱模型。視為連續質的秸稈材料因模型較為規整，對其單元尺寸進行設定后采用自由劃分。秸稈壓縮模具模型具有不規則性，如果采用自由網格劃分則會出現不固定的單元形狀，在運算中會出現計算量大、不易收斂的境況; 而映射劃分對幾何模型形狀有嚴格的控制，平面幾何形狀由三邊或四邊形構成，如果模型變數較多則采用連接法將其轉化為四邊形。因此，網格劃分中秸稈材料采用自由網格劃分，模具采用映射網格劃分。秸稈材料 X 方向劃分 16 份，Y 方向劃分 100 份，模具采用映射網格劃分控制計算精度和提高收斂性，網格劃分如圖 1 所示?！緢D1略】
2． 4 定義接觸
秸稈在擠壓成型過程中會與模具產生摩擦與擠壓現象，所以在利用 ANSYS 軟件進行分析時必須建立接觸單元。ANSYS 中接觸問題基本可以分為剛體-柔體接觸、柔體-剛體接觸兩種情況。在剛體-柔體接觸中，接觸面的一個或多個被當作剛體。通常情況下，軟質材料和硬質材料接觸時，可視為剛體-柔體的接觸。在秸稈在壓縮成型過程中，秸稈表面與模具金屬表面接觸屬于剛-柔體接觸。ANSYS 中支持剛-柔體面面接觸。剛體被定義為“目標面”，可以用 TARGE169\\( 2D\\) 和 TARGE\\( 3D\\) 單元來模擬。柔性體的表面被定義為“接觸面”，用 CONTA171、CON-TA172、CONTA173、CONTA174 來模擬。一個目標單元和一個接觸單元稱作“接觸對”。
2． 5 建立接觸對
在秸稈原料擠壓成型過程中，秸稈顆粒與模具相互擠壓摩擦，秸稈原料發生較大的塑性變形，模具與其相比較變形量可以忽略不計。所以，定義秸稈原料與模具之間接觸關系為剛體-柔體接觸。秸稈原料與模具相互擠壓過程中定義接觸單元和目標單元分別為 CONTA172 和 TATGE169。TATGE169 單元能夠較好地模擬復雜形狀的目標面。CONTA172 可以用來描述二維目標面與變形面之間的接觸與滑動。
在 ANSYS 前處理中使用接觸對\\( Contact Pair\\) ，來定義剛性目標面和柔性體接面: 在接觸向導設置目標面\\( Target Surface\\) 為 Lines; 接觸類型\\( Target Type\\) 為Rigid; 接觸單元類型 \\( Contact Element Type \\) 設置為面-面\\( Surface-to-Surface\\) 。
2． 6 添加載荷與約束
玉米秸稈在壓縮成型過程中受溫度、力、含水率等條件影響。秸稈頂部上方添加 Y 方向垂直向下位移作為載荷。因為模具為軸對稱形式，為了方便計算機運算，固將模型簡化為 1/2 軸對稱模型進行載荷與約束添加。約束與載荷分布如圖 2 所示?！緢D2略】
定義新的分析\\( New Analysis\\) 為靜態\\( Static\\) 。因秸稈在壓縮成型過程中會產生較大變形，所以需設定Sol·n control 中 Large displacement 選項，再將線性搜索\\( Line Search\\) 打開，有利于計算平穩。
3 秸稈壓縮過程分析
3． 1 秸稈壓縮成型應力變化過程
圖 3 反映了秸稈在壓縮過程中等效應力變化過程。秸稈材料進入模具開始擠壓時，成型塊大部分區域等效應力變化不明顯。隨著擠壓面積增大，秸稈顆粒在摩擦力和剪應力作用下相互擠壓成型，成型區域內應力主要集中在模具錐形孔范圍。在擠壓過程中秸稈顆粒表面與模具接觸處的應力比中心大，引起應力分布不均勻的情況，容易產生表面裂紋等缺陷; 而模具在圖 3 中反映出較為容易磨損位置為錐形孔上端與下端，最大等效應力值為 82． 7MPa?！緢D3略】
3． 2 秸稈壓縮成型流動變化
圖 4、圖 5 由于軸對稱擠壓流動較為均勻，網格變形反映了材料受到模具擠壓時的流動情況?？梢钥闯?，秸稈原料在 x、y 向上的網格均發生了明顯變化，尤其與模具相接觸區域變化更為明顯。這是由于秸稈原料在壓縮過程中與模具之間產生摩擦，導致中間區域略滯后于接觸區域。隨著擠壓過程的推移，中間部分變形逐漸恢復平穩，接觸區域變形趨于穩定?！緢D4-5略】
3． 3 秸稈壓縮成型剪應力變化過程
在秸稈擠壓成型過程中，秸稈顆粒受到剪應力作用范圍主要集中在模具錐形面接觸區域。隨著擠壓成型過程推進，剪應力隨之增大。秸稈塊在擠壓成型后，因剪應力的影響沿直徑方向會產生彈性滯漲與膨脹，最后將導致秸稈塊擠出后表面出現裂痕影響成型效果。如圖 6 所示，剪應力的增大能提高秸稈塊密度，但過大的剪應力又會導致秸稈塊表面出現裂紋。模具錐形孔的角度直接影響著剪應力大小，選擇合適的錐形孔角度將有利于最終秸稈成型效果?！緢D6略】
3． 4 模具錐形孔角度對秸稈成型影響
通過分析秸稈在壓縮過程中剪應力對其影響，可以得出模具錐形角在秸稈成型過程中起主要作用。在 ANSYS 軟件中，在模型模具錐形孔角度分別為12°、15°、18°，材料屬性、單元類型、接觸對相同和載荷等參數不變的條件下進行模擬仿真，得出等效塑性應變圖，如圖 7 ～ 圖 9 所示?！緢D7-9略】
4 結果與討論
由于秸稈原料在壓縮過程中與模具之間產生摩擦，導致中間區域略滯后于接觸區域; 并且當物料進入模具開始擠壓時，成型區域的內應力主要集中在模具錐形孔范圍。在擠壓過程中，秸稈顆粒表面與模具接觸處的應力比中心大。其中，剪應力也隨著擠壓過程越來越大，因剪應力的影響沿直徑方向會產生彈性滯漲與膨脹，導致擠出秸稈塊表面出現裂痕。剪應力的增大能提高秸稈塊密度，但過大的剪應力又會導致秸稈塊表面出現裂紋。根據分析，模具錐形孔的角度直接影響著剪應力大小。當模具錐形孔為 12°時，隨著位移載荷增大，秸稈應力變形主要集中在中間部分; 當在進入保型段時，秸稈顆粒向中間部位移動較少，中間變形不明顯，容易造成最后擠壓出的秸稈塊成型不實。當模具錐形孔為 18°時，由于剪應力增大，秸稈顆塑性變形效果較好; 但是相應地帶來了剪應力增大，會造成最后秸稈塊表面出現大的裂紋。當模具錐形孔為 15°時，能較好地平衡剪應力大小與成型密度兩者關系。
5 結論
通過利用 SolidWorks 軟件對五柱塞秸稈成型機進行建模、ANSYS 有限元軟件對秸稈壓縮成型過程進行計算機模擬，得到等效應力圖、流動變化圖 、時間歷程剪應力圖，可以看出應力、流動、剪應力的變化情況。
通過對上述圖形分析，得到模具錐形孔角度大小與壓縮成型效果之間的關系。再進一步比較分析當模具錐形孔 12°、15°、18°時秸稈擠壓過程中等效塑性變化圖，結果表明: 當錐形孔角度為 15°時，秸稈壓縮成型效果較好，為今后模具結構參數提供了理論基礎。
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