蜂窝状生物质燃料固化成型有限元分析

1、2009年2月农业机械学报第40卷第2期蜂窝状生物质燃料固化成型有限元分析孙清1白红春1赵旭1易维明2(11沈阳农业大学工程学院,沈阳110161;21山东理工大学轻工与农业工程学院,淄博255049【摘要】根据生物质可压缩性以及成型物具有一定硬度等特点,将生物质成型过程看成非线性有限元问题。建立力学模型,利用ANSYS 软件分析成型过程中的静水压应力、等效应变以及载荷与形变的关系,提出分段填料压缩可提高成型物的耐久性,采用缓慢压缩和提高物料的软化程度等方法可以防止成型物出现裂纹。关键词:生物质能蜂窝状生物质燃料挤压有限元分析中图分类号:S21612;T K6文献标识码: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引言随着常规能源的不断消耗和环境保护的日益加强,生物质能源的开发与利用越来越受到人们的重视。目前生产应用较多的生物质成型技术有造粒成型、柱状成型,而蜂窝状生物质成型技术正在逐步发展,它能够改善农村和部分城镇的用能

6、结构,其利用的广泛性远大于颗粒状生物质燃料。这种成型燃料与家用生铁蜂窝煤炉配套使用,易于推广。蜂窝状生物质成型燃料研究的关键在于原料的配方和成型机理的研究。本文通过计算机有限元分析,模拟蜂窝状生物质燃料的成型过程,探讨成型机理,从几何非线性弹塑性理论出发,建立蜂窝状生物质燃料成型的力学模型,进行有限元分析。1力学模型的建立111模型类型的确立在生物质压缩过程中,由于受热和压力的作用,生物质颗粒紧密地粘结在一起,故可将其看成连续体。生物质颗粒成型物对加载和卸载响应各不相同。在加压过程中,有限元发生移动,以多种方式增强整体的刚度,故将生物质压缩成型过程看成几何非线性的弹塑性模型。112几何模型的确

7、立蜂窝状生物质成型燃料按照市场上普通蜂窝煤的标准进行外观设计。其外形为圆柱形,直径为100mm ,高度为70mm ,均匀分布5个直径为14mm的通孔。在计算机模拟过程中,考虑到模型的对称性,采用了对称简化,取整体的1/4为模型,以减少运算的复杂程度。2有限元分析211前处理21111单元的选取挤压成型过程主要考察材料的塑性、蠕变和应力强化等方面的特征,同时考虑由于热膨胀产生的应力。在单元选取时选取有空间自由度的三维实体结构模型,采用Solid95单元。该单元能够容许不规则形状,并且不会降低精确性,特别适合边界为曲线的模型,对偏移形状兼容性好。21112网格划分采取自适应网格划分方法,该方法可自

8、动估计网格划分误差并细化网格。212求解过程挤压过程以木屑为模拟对象。压缩过程涉及到空间位移、温度和压力等载荷条件。侧面和下表面采用全约束,四分之一模型截断面采用对称约束,对上表面各节点施加压力载荷。本例采用几何非线性模式,在求解过程中可能会发生不收敛的问题。为此,采取以下设置来避免不收敛。打开自动时间步长,对时间步长设置一个最大限度(DEL TIM ,确保所有重要的模态和特性将被精确地包含进去;使用Newton 2Raphson 选项(带校正的线性近似分析方法和自适应下降因子(NROPT ,在几乎没有载荷重新分配的情况下, 通过关闭这个特性可以获得更快的收敛性;使用线性搜索,线性搜索方法通常

9、导致收敛。213结果后处理21311静水压应力挤压过程中,上表面各节点受到压力,迫使整个成型块有微小位移。以生物质颗粒为研究对象,通过彼此间力的传递,产生的静水压应力如图1所示,其中,t 表示压缩过程中某一时刻,T 表示经历一个压缩周期所需的时间。图1静水压应力模拟图Fig.1Graphics of hydrostatic pressure simulation(a t =012T (b t =016T (c t =T由图1可知,随着压力的增大,静水压应力随之增大。孔附近静水压应力增加很迅速。但下半部分静水压应力变化较缓慢,这与压缩方式有关,这一现象可以用赫兹理论来解释。在物料挤压中 ,以上表

10、面为研究对象,接触面上只有分布的垂直压力,符合赫兹理论的假设。根据赫兹理论,接触区附近的变形受周围介质的强烈约束,各点处于三向应力状态,且接触应力的分布呈高度局部性,且随与接触面距离的增加而迅速衰减。如果采用多次填料压缩的方式,即将这一过程分成多个过程的结合,那么对于每个子过程而言,压缩物的体积大大减少,各部分接触应力的差异随之减少;对于整体而言,各部分静水压应力的差异减少了,物料的塑性形变趋于一致,增强了整体的挤压强度,压实强度高,可提高成型物的耐久性。21312等效应变图2为压缩体的等效应变图。图2挤压终止时等效应变图Fig.2Equivalent strain at the end of

11、 compression从图中可知,等效应变与静水压应力较为一致。在孔附近的塑性应变较大。在压缩过程中,由于冲针的摩擦,使成型物出现剪切变形,越靠近孔的位置,剪切角越大。剪切力是造成成型物裂纹的原因1。成型物由于剪切应力的作用出现弹性膨胀和弹性滞后现象。弹性滞后和弹性膨胀迫使成型物在纵向开裂2。在生产中可采取缓慢压缩和提高801农业机械学报2009年物料的软化程度等手段来解决这一问题。缓慢压缩可使成型物在压缩过程中产生的剪切应力得到很好释放,避免剪切应力过于集中。从能量角度考虑,缓慢压缩过程中各瞬时状态可近似看成平衡状态,某一时刻产生的弹性膨胀可及时地传递到压缩接触面,通过压缩机提供的动力加以

12、克服,使成型块内部的能量得以释放,一定程度上避免了成型物的皲裂。提高物料的软化程度,可通过适当提高压缩过程中物料温度的方式实现,降低物料表面结构的坚硬程度,使之表面张力减小,缓解压缩过程中弹性膨胀和弹性滞后产生的皲裂。根据分析小变形和非弹性材料问题时常用的假设应变方法3,以及多孔材料的塑性理论可知,多孔材料的等效应变取决于应变偏量和应变球张量两部分,即塑性变形和体积应变1。在此过程中,应变偏量表现得很突出, 极大地超过了应变球张量,即表现为塑性变形。21313载荷与形变挤压开始时,压缩物位移变化较小。压缩开始时,颗粒间依靠表面张力抵抗外加载荷,造成颗粒位移不大。当施加作用力达到一定值时,颗粒外

13、形发生变化,出现塑性变形,表现出流动性,颗粒位移变化快。压力继续增加时,位移不再增加,此时整体趋于稳定。由于压力的作用,颗粒之间的空隙被填满,产生塑性形变,使原本不规则的形状趋向规则化,如图3所示,其中p 表示在压缩过程中作用于颗粒上图3颗粒受静水压应力产生塑性形变原理图Fig.3Plastic deformation principle graphics ofmaterials caused by hydrostatic pressure的压力。进一步增大压力,颗粒之间的空隙越来越小,直至不再发生塑性形变。但是由于压力的缓慢增加,颗粒受到的静压力有一个从不平衡状态到平衡状态的过程,由于这个过

14、程的存在,不平衡的压力会产生一个转动扭矩,迫使颗粒发生一定角度的转动,这就使得颗粒进一步被压实,此时在整体外观上没有形变,只是内部压实过程,直到颗粒压实到一定程度,内部分子间作用力与外部作用力达到平衡,整个成型体就不再发生变化,趋于稳定。3结论(1压缩过程中采用分步填料压缩,可增强蜂窝状生物质燃料的耐久性。(2通过对压缩过程中的静水压应力和等效应变的分析发现,成型物在孔附近易出现裂纹。在实际生产中可采用缓慢压缩和提高物料的软化程度等方法加以解决。参考文献1汤爱君,马海龙,董玉平.生物质挤压过程中的静水压应力J .可再生能源,2006,35(2:2831.Tang Aijun ,Ma Hailo

15、ng ,Dong Yuping.Hydrostatic pressure in biomass briquetting processJ .Renwable Energy ,2006,35(2:2831.(in Chinese 2董玉平,高名望,孙启新.秸秆类生物质固化成型有限元模拟J .山东大学学报:工学版,2005,35(5:913.Dong Yuping ,G ao Mingwang ,Sun Quxin.The finite element simulation of straw and stalk biomass press briquettingJ .Journal of Shan

16、dong University :Engineering Science ,2005,35(5:913.(in Chinese 3Z ienkiewicz O C ,Taylor R L.The finite element methodM .北京:清华大学出版社,2006:36.4兰文奎,郑玲,李以农,等.活塞式磁流变液阻尼器磁场有限元分析J .农业机械学报,2007,38(4:142145.Lan Wenkui ,Zheng Ling ,Li Y inong ,et al.FEM analysis of magnetic field of piston 2type MP fluids da

17、mper J .Transactions of the Chinese S ociety for Agricultural Machinery ,2007,38(4:142145.(in Chinese (上接第138页10李丹,牟莉,李晓磊,等.高效液相色谱电喷雾质谱联机检测黑豆异黄酮J .食品科学,2007,28(9:438441.Li Dan ,Mu Li ,Li Xiaolei ,et al.Identification and determination of black bean isoflavones by high performance liquid chromatography coupled with electrospray ionization mass spectrum J .Food Science ,2007,28(9:438441.(in Chinese 11Bhat M K ,Bhat S.Cellu