生物質壓縮成型是將生物質廢棄物用機械加壓的方法，使原來鬆散、無定形的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。生物質在經過壓縮成型之後，其密度、強度和燃燒性能都有了質的改善，大大提高了生物質作為燃料的品質和性能，可以為日常生活、工業生產提供高效清潔的能源。
富通新能源生產銷售的秸稈壓塊機、秸稈顆粒機專業壓製生物質固體顆粒燃料。
我國生物質能資源非常豐富。但是，作為一種散拋型低容積密度的能源存在形式，生物質能源具有資源分散、能量密度低、容積密度小、儲(chu)運(yun)不(bu)方(fang)便(bian)等(deng)缺(que)點(dian)。特(te)別(bie)是(shi)我(wo)國(guo)地(di)域(yu)廣(guang)闊(kuo)，地(di)形(xing)複(fu)雜(za)，嚴(yan)重(zhong)製(zhi)約(yue)了(le)生(sheng)物(wu)質(zhi)能(neng)的(de)大(da)規(gui)模(mo)應(ying)用(yong)。所(suo)以(yi)生(sheng)物(wu)質(zhi)高(gao)品(pin)位(wei)轉(zhuan)換(huan)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)便(bian)成(cheng)為(wei)開(kai)發(fa)利(li)用(yong)生(sheng)物(wu)質(zhi)能(neng)的(de)重(zhong)點(dian)。而(er)研(yan)製(zhi)開(kai)發(fa)成(cheng)本(ben)低(di)、產能高、操作簡單、體積小、便(bian)於(yu)田(tian)間(jian)小(xiao)戶(hu)型(xing)作(zuo)業(ye)的(de)成(cheng)型(xing)設(she)備(bei)成(cheng)為(wei)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)推(tui)廣(guang)應(ying)用(yong)的(de)關(guan)鍵(jian)所(suo)在(zai)。近(jin)年(nian)來(lai)在(zai)生(sheng)物(wu)質(zhi)壓(ya)縮(suo)成(cheng)型(xing)技(ji)術(shu)的(de)改(gai)進(jin)創(chuang)新(xin)發(fa)展(zhan)基(ji)礎(chu)上(shang)，本(ben)文(wen)利(li)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)理(li)論(lun)對(dui)生(sheng)物(wu)質(zhi)的(de)壓(ya)縮(suo)成(cheng)型(xing)徐(xu)變(bian)過(guo)程(cheng)和(he)力(li)學(xue)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)分(fen)析(xi)，對(dui)成(cheng)型(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)壓(ya)力(li)和(he)變(bian)形(xing)的(de)變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)作(zuo)深(shen)入(ru)分(fen)析(xi)，為(wei)研(yan)究(jiu)其(qi)最(zui)佳(jia)成(cheng)型(xing)條(tiao)件(jian)和(he)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)尋(xun)求(qiu)理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。
1、生物質致密成型技術
1.1基本理論
從生物學角度，生物質是由纖維素、半纖維和木質素構成，這3種成分構成植物的支持骨架。其中，纖維素組成微細纖維，構成纖維細胞壁的網狀骨架，賦予植物莖稈彈性和機械強度；而半纖維素和木質素則是填充在纖維之間和微細胞之間的“粘結劑”和“填充劑”。在一般植物中，這3種成分的質量占總質量的80%—90%，是生物質的主要組成成分。生物質典型結構如圖1所示。
根據國內外學者對粘結成型機理的研究，可以將成型塊內部粘結狀況及結合力分成5種類型：固體橋；非自由移動粘結劑下的粘附力和內聚力；自由移動液體的表麵張力和毛細管作用力；固體顆粒之間的吸引力（分子間的範德華力或靜電力）；顆ke粒li間jian的de交jiao錯cuo粘zhan結jie。除chu了le在zai特te殊shu的de成cheng型xing過guo程cheng中zhong，物wu料liao壓ya縮suo成cheng型xing利li用yong了le部bu分fen或huo全quan部bu的de粘zhan接jie機ji理li以yi外wai，通tong常chang成cheng型xing塊kuai在zai聚ju合he過guo程cheng中zhong隻zhi有you一yi種zhong或huo兩liang種zhong粘zhan接jie機ji理li起qi著zhe主zhu要yao的de作zuo用yong。
一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)，成(cheng)型(xing)塊(kuai)的(de)粘(zhan)結(jie)強(qiang)度(du)隨(sui)著(zhe)成(cheng)型(xing)壓(ya)力(li)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)大(da)。在(zai)不(bu)添(tian)加(jia)粘(zhan)結(jie)劑(ji)的(de)成(cheng)型(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，秸(jie)稈(gan)顆(ke)粒(li)在(zai)外(wai)部(bu)壓(ya)縮(suo)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)相(xiang)互(hu)滑(hua)動(dong)，顆(ke)粒(li)間(jian)的(de)孔(kong)隙(xi)減(jian)小(xiao)，顆(ke)粒(li)在(zai)壓(ya)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)發(fa)生(sheng)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)，並(bing)達(da)到(dao)粘(zhan)結(jie)成(cheng)型(xing)的(de)目(mu)的(de)。對(dui)大(da)顆(ke)粒(li)而(er)言(yan)，顆(ke)粒(li)之(zhi)間(jian)交(jiao)錯(cuo)粘(zhan)接(jie)為(wei)主(zhu)；對於很小的顆粒而言（粉粒狀），顆粒之間以吸引力（分子間的範德華力或靜電力）粘結為主。因此生物質徐變應包括粘性變形和塑性變形。
1.2生物質徐變有限元模型
基(ji)於(yu)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)，如(ru)何(he)真(zhen)實(shi)地(di)模(mo)擬(ni)纖(xian)維(wei)的(de)分(fen)裂(lie)軟(ruan)化(hua)，木(mu)質(zhi)素(su)的(de)固(gu)化(hua)成(cheng)型(xing)是(shi)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)的(de)關(guan)鍵(jian)。同(tong)時(shi)顆(ke)粒(li)物(wu)料(liao)應(ying)屬(shu)於(yu)非(fei)連(lian)續(xu)離(li)散(san)性(xing)介(jie)質(zhi)，而(er)非(fei)連(lian)續(xu)介(jie)質(zhi)力(li)學(xue)的(de)基(ji)本(ben)理(li)論(lun)還(hai)很(hen)不(bu)完(wan)善(shan)，使(shi)其(qi)在(zai)工(gong)程(cheng)上(shang)的(de)應(ying)用(yong)受(shou)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)限(xian)製(zhi)。為(wei)研(yan)究(jiu)問(wen)題(ti)的(de)方(fang)便(bian)而(er)又(you)能(neng)充(chong)分(fen)反(fan)映(ying)生(sheng)物(wu)質(zhi)受(shou)壓(ya)變(bian)形(xing)情(qing)況(kuang)，本(ben)文(wen)借(jie)用(yong)鋼(gang)筋(jin)混(hun)凝(ning)土(tu)梁(liang)的(de)粘(zhan)塑(su)性(xing)分(fen)析(xi)理(li)論(lun)，將(jiang)纖(xian)維(wei)等(deng)效(xiao)為(wei)梁(liang)的(de)縱(zong)橫(heng)向(xiang)筋(jin)，木(mu)質(zhi)素(su)等(deng)效(xiao)為(wei)混(hun)凝(ning)土(tu)，並(bing)采(cai)用(yong)離(li)散(san)式(shi)模(mo)型(xing)。
單元應力一位移關係為式中e-單元應變率矢量
式(7)即為考慮徐變的有限元基本方程。對於非時效材料K由常量組成，對徐變計算的主要難度在於如何近似獲得Ra，因為它是某時間段內變化著的應力函數。在有限元分析中采用LINK單元模擬纖維，concrete單元模擬木質素。同時為了較真實地虛擬成型過程，采用直徑30 mm、高60 mm、壁厚1mm的圓筒狀模具，並使用PLANE 42單元模擬成型模具。
由於細胞構造、排列等方麵的原因，植物的材料性質多為各向異性，如木材沿樹幹縱向（習慣稱順紋）強度較橫向（橫紋）dadeduo。yinci，youxianyuanjisuanshicaiyongzhengjiaogexiangyixingcailiaomoxing。youyujieganleishengwuzhilixuexingnengcanshudecedingzhijinmeiyoudedaoyigegongrendezhunqueshuzhi，qieyushanmuxiangbiliangzhedezhuyaozuchengchengfendoushixianweisu，yincizaijisuanfenxizhongsuoxucailiaomoxingdedanxingmoliang、泊鬆比等參數參考了文獻報道的杉木力學數據，應力一應變曲線參考了文獻的實驗數據。
2、ANSYS分析計算
由(you)於(yu)成(cheng)型(xing)擠(ji)壓(ya)過(guo)程(cheng)中(zhong)被(bei)擠(ji)壓(ya)物(wu)料(liao)和(he)成(cheng)型(xing)模(mo)具(ju)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)擠(ji)壓(ya)和(he)滑(hua)動(dong)摩(mo)擦(ca)現(xian)象(xiang)，進(jin)行(xing)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)時(shi)需(xu)建(jian)立(li)接(jie)觸(chu)副(fu)，用(yong)以(yi)計(ji)算(suan)兩(liang)個(ge)物(wu)體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)這(zhe)種(zhong)運(yun)動(dong)。
2.1網格劃分
首先為不同幾何模型選擇對應單元類型和材料模型；然後使用MeshTool進行智能網格劃分。生物質模型和成型模具模型的單元尺寸分別為2級和3級。
2.2建立接觸副
ANSYS支持3種接觸方式；點一點、點一麵、麵一麵，每種接觸方式使用的接觸單元適用於某一類問題。對於剛體一柔體的麵一麵的接觸單元，剛性麵被當作“目標”麵，分別用Targe169和Targe170來模擬2-D和3-D的“目標”麵，柔性體的表麵被當作“接觸”麵，用Conta171，Conta172，Conta173．Conta174來模擬。本文采用目標單元169和接觸單元171進行麵一麵接觸分析計算。分別選取生物質物料作為柔性體，成型模具為剛性體，“目標”麵分別選取兩部分的邊界線。
2.3建立分析條件
生sheng物wu質zhi物wu料liao的de左zuo邊bian采cai用yong對dui稱cheng約yue束shu，在zai其qi頂ding部bu施shi加jia壓ya力li作zuo為wei載zai荷he。接jie觸chu分fen析xi是shi典dian型xing的de非fei線xian性xing問wen題ti，同tong時shi生sheng物wu質zhi也ye是shi非fei線xian性xing材cai料liao，所suo以yi在zai求qiu解jie前qian，進jin行xing計ji算suan結jie果guo收shou斂lian性xing設she定ding。首shou先xian，在zaiSol'n control中設定Large displacement static, Time at end of loadstep設定為10，Number of sunstep設定為20;然後，在Analysis option中設Large deform effect為On；最後打開非線性計算收斂預測器。
2.4分析計算
點擊Current LS進行求解。
2.4.1擠壓成型徐變過程
圖2、圖3是生物質徐變初始階段和結束階段的變形圖，從圖中可清晰看出其成型過程中位移、體積變化情況。物料變形具有一定的層次，從上到下其變形越來越小，頂端最大，底部變形較小。分析可得各部分受力、bianxingbujunyun，caiyongmojuchengxingdedaodezhichengpingebufenzhimidubuxiangtong，yiduanjiaozhimi，lingyiduanrongyisanluo。lingwai，shengwuzhibianyuanbianxingbizhongbubianxingyouyidingchihuan，zheshiyoumocasuozaochengde。suoyixuanzeshouli、變形均勻的擠壓方法是提高製品品質的關鍵因素。
2.4,2應力分布
圖4為第三強度定律應力圖，圖5為等效塑性應力圖。
從圖4、圖5suoshiyinglifenbudechu，shengwuzhishangbuyinglijiaoda，xiabujiaoxiao，zheyushangbubianxingdayuxiabuxiangyizhi。yucailiaomoxingxiangbijiaodechu，wuliaoshangbuxubianyizhanxingbianxingweizhu，erxiabugangjinruzhanxingbianxing，yisuxingbianxingweizhu。duiyuchengxingmojuqineibizhijiaochuyinglijiaoda，qizhuyaoyuanyinshizheyibuweijichengshouhengxiangjiyaliyouchengshoushangbujiyalihemocalizaicichanshengdewanquliou。ruhexiaochucijizhongyinglishitigaomojushoumingdeguanjian。
2.4.3 壓力和變形關係
從圖6中(zhong)得(de)出(chu)，物(wu)料(liao)擠(ji)壓(ya)初(chu)始(shi)階(jie)段(duan)在(zai)較(jiao)小(xiao)壓(ya)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)產(chan)生(sheng)了(le)較(jiao)大(da)變(bian)形(xing)，隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)變(bian)形(xing)越(yue)來(lai)越(yue)緩(huan)慢(man)，而(er)且(qie)在(zai)成(cheng)型(xing)後(hou)階(jie)段(duan)變(bian)形(xing)會(hui)出(chu)現(xian)徐(xu)變(bian)停(ting)滯(zhi)現(xian)象(xiang)。根(gen)據(ju)圖(tu)6、圖7可將生物質徐變過程分為3個階段：鬆散階段、壓緊階段、固化階段。
在鬆散階段（圖6、7中曲線從0點到A點）．初始物料較鬆散，在很小的壓力下，產生較大變形。表明在此階段，變形以克服物料之間的空隙為主，物料的體積減小較快。
在壓緊階段（圖6、7中曲線從A點到B點），bianxingdezengdalvzhujianjianruo。biaomingzaicijieduan，jieganwuliaodebianxingcongkefuwuliaozhijiandekongxiweizhuzhuanxiangyikefuwuliaozishenneibudekongxiweizhu。wuliaokelifashengpolie，xianweikaishifenlieruanhua，xubianyisuxingbianxingweizhu。
在固化階段（圖6、7中曲線從B點到C點），物wu料liao變bian形xing與yu壓ya力li的de關guan係xi近jin似si呈cheng線xian性xing關guan係xi。隨sui著zhe壓ya力li的de增zeng加jia，變bian形xing的de增zeng加jia非fei常chang緩huan慢man。表biao明ming在zai此ci階jie段duan，秸jie稈gan物wu料liao顆ke粒li之zhi間jian的de空kong隙xi和he秸jie稈gan自zi身shen的de空kong隙xi己ji經jing被bei完wan全quan克ke服fu，纖xian維wei進jin一yi步bu軟ruan化hua，木mu質zhi素su開kai始shi固gu化hua，徐xu變bian以yi粘zhan性xing變bian形xing為wei主zhu。
在壓緊和固化階段，變形出現停滯，其原因一方麵與物料中存在的大量氣泡和水分有關，另一方麵與大量纖維的突然軟化分裂有關。
在整個成型過程中，除去水分外物料質量損失較少，所以密度變化與位移變化曲線相似。從圖6、7可以得出：物料成型與其含水率有一定關係。
本文有限元分析數據與文獻中經過試驗得出的秸稈類生物質壓力一變形數據很相似。所以，本文所采用方法較為合理，分析計算準確。
3、結論
(1)準(zhun)確(que)建(jian)立(li)生(sheng)物(wu)質(zhi)的(de)徐(xu)變(bian)模(mo)型(xing)，模(mo)擬(ni)其(qi)生(sheng)物(wu)機(ji)理(li)是(shi)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)合(he)理(li)性(xing)的(de)關(guan)鍵(jian)。由(you)生(sheng)物(wu)質(zhi)徐(xu)變(bian)圖(tu)可(ke)得(de)，對(dui)物(wu)料(liao)從(cong)各(ge)個(ge)方(fang)向(xiang)施(shi)加(jia)均(jun)勻(yun)的(de)受(shou)力(li)是(shi)保(bao)證(zheng)成(cheng)型(xing)品(pin)品(pin)質(zhi)的(de)關(guan)鍵(jian)。
(2)根據壓力一變形圖，生物質成型徐變要經過鬆散、壓緊、固化3個階段。
(3)由於擠壓力和摩擦力的存在，成型模具產生較大應力集中，這是柱塞式成型設備的主要缺陷。
(4)運用ANSYS對dui生sheng物wu質zhi成cheng型xing徐xu變bian過guo程cheng進jin行xing模mo擬ni分fen析xi，其qi變bian形xing過guo程cheng及ji其qi壓ya力li與yu變bian形xing的de關guan係xi與yu已yi有you實shi驗yan數shu據ju對dui比bi，其qi數shu據ju可ke靠kao，為wei生sheng物wu成cheng型xing機ji理li的de進jin一yi步bu研yan究jiu提ti供gong了le較jiao好hao的de依yi據ju和he方fang法fa。
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