第4章 生物質(zhì)秸稈致密成型有限元分析
4.1模型的建立
4.1.1建立分析模型
生物質(zhì)秸稈
顆粒燃料致密成型過程看上去很簡單，但是在模具里物料的擠壓變形受到多種因素的影響，使得物料致密成型變得復(fù)雜。秸稈致密成型過程中，物料經(jīng)喂料機構(gòu)送到壓縮室，在壓輪作用下，顆粒之間相互擠壓變形最后粘結(jié)在一起成型。由于實際幾何模型的建立取決于眾多因素，但是在致密成型過程中為了方便研究問題，對模型適當?shù)暮喕⒎治瞿Ｐ停鐖D4-1所示。
本文根據(jù)實際情況作以下假設(shè)：
1)將生物質(zhì)致密成型過程簡化為彈塑性體與剛性體的非光滑接觸計算模型；
2)不考慮材料內(nèi)部的物理性能、攪拌、化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象；
3)將生物質(zhì)秸稈原料看作連續(xù)均勻的物質(zhì)；
4)不考慮溫度結(jié)構(gòu)耦合問題。
秸稈物料在模具里受擠壓后出現(xiàn)大變形屬于非線性問題。非線性問題可以分為三類：幾何非線性、狀態(tài)變化和材料非線性[52]。本文研究的秸稈變形屬于狀態(tài)變化大變形接觸問題。分析模型主要由模具和秸稈物料構(gòu)成，模具入口帶有一定的錐角，方便物料進入擠壓。本文主要研究成型孔對致密成型的影響，考慮結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，對實際裝置進行簡化，采用軸對稱壓縮模型，采用ANSYS軟件建立二維幾何模型如圖4-2所示。
4.1.2設(shè)置有限單元類型和材料特性
在網(wǎng)格劃分之前，首先對有限元模型中將要用到的單元屬性進行定義，單元屬性一般包括：單元類型、實常數(shù)、和材料特性。
離散化有限單元模型包括兩部分內(nèi)容：一是選擇適當?shù)膯卧愋停饕歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀進行選取，使結(jié)構(gòu)的變化和幾何特征在這些單元中很好的體現(xiàn)；二是確定離散化的單元所用的個數(shù)。
有限元的基本思想在于將求解域離散化。對不同的求解域，選擇不同的單元屬性，這樣可以反映求解的特點，得到最優(yōu)分析效果。所以，選擇有限單元類型很重要。如果選擇合適，分析計算會很快速準確；若選擇不當，分析結(jié)果可能出現(xiàn)較大的誤差，甚至有可能完全不對。
為適應(yīng)不同的分析需要，ANSYS單元庫中提供了190多種不同的單元類型，從普通的線單元、面單元、實體單元（包括2維和3維單元）到特殊的接觸單元、間隙單元和表面效應(yīng)單元等。每種單元類型唯一獨特的表示方法，單元類型決定了單元自由度以及它所在的空間。
本文生物質(zhì)秸稈致密成型過程中主要涉及結(jié)構(gòu)非線性分析，考慮到擠壓過程中物料出現(xiàn)大變形問題，所以選取單元必須具有塑性和大變形能力，本文選用2維4節(jié)點四邊形面單元PIAN182，每個節(jié)點具有X和Y方向的平移自由度，有較高的結(jié)構(gòu)精度。該單元即可用作軸對稱單元，也可作為平面單元，具有大變形和大應(yīng)變能力。擠壓模型選用TARGET169單元進行模擬。擠壓模和生物質(zhì)秸稈是在材料屬性上也不同，給定的材料參數(shù)如表4-1所示。
4.13模型網(wǎng)格劃分
建立好壓縮模型之后，對模型其進行網(wǎng)格化分。網(wǎng)格劃分是整個分析過程最重要的步驟之一，劃分網(wǎng)格時對不同材料構(gòu)件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。網(wǎng)格劃分的好壞對計算結(jié)果的準確性和計算進度有很大的影響，如果網(wǎng)格劃分的不合理可能會導(dǎo)致計算結(jié)果不準確，嚴重時不收斂。
一般網(wǎng)格劃分有兩種方式：自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分沒有特定的規(guī)則，對單元形狀沒有任何要求，基本適用于所有的模型，劃分的網(wǎng)格也不規(guī)則。映射網(wǎng)格劃分比較規(guī)則，一般映射體網(wǎng)格只包含六面體單元，而映射面網(wǎng)格既包含三角形又包含四邊形形單元。映射網(wǎng)格劃分適用于形狀規(guī)則的面或體。選擇好網(wǎng)格類型對建好的模型進行網(wǎng)格劃分很重要，對計算時間和結(jié)果影響很大。根據(jù)實際情況確定采用自由還是映射網(wǎng)格進行分析。在本文中，由于模型形狀比較規(guī)則，采用易于收斂的映射網(wǎng)格劃分。劃分的網(wǎng)格如圖4-3所示。
4.1.4接觸單元的定義
秸稈物料在致密成型過程中物料和模具之間存在摩擦和擠壓的現(xiàn)象，涉及到了接觸問題，所以必須建立接觸單元，進行接觸分析。
接觸問題一般分為剛體和柔體的接觸、半柔體和柔體接觸兩種類型。當剛體和柔體接觸時，一個或多個接觸面被當作剛體。在軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料接觸時，‘可看做為柔體一剛體的接觸問題，許多非金屬和金屬成型問題都屬于柔體一剛體的接觸問題。另一類，是軟質(zhì)材料和軟質(zhì)材料的接觸，即柔體一柔體的接觸，是一種比較常見的接觸類型，通常這種情況下，兩個接觸體有近似的剛度，它們都屬于變形體。
前面所述生物質(zhì)秸稈由于成型擠壓過程中擠壓模和玉米秸稈之間存在擠壓、滑動摩擦現(xiàn)象，進行有限元分析時必須建立接觸副( Contact Pair)。
ANSYS支持三種接觸方式：點一點接觸，點一面接觸，‘面—面接觸。
在分析問題時必須確認模型中的哪些部分可能會相互接觸，然后再給接觸問題建模，如果相互接觸的是一點，那么模型對應(yīng)的組元就是一個節(jié)點。如果相互接觸的有一個是面，那么模型的對應(yīng)組元是單元。有限元模型接觸匹配對通過指定的接觸單元來識別，接觸單元是一層單元，它主要依附在分析模型接觸面之上的[55l，
1)面一面的接觸單元 ，
ANSYS中提供了用來處理剛體一柔體和柔體—柔體面面接觸問題的單元，實體的接觸關(guān)系通過這些單元“目標面”和“接觸對”來模擬。
剛性面被當作“目標面”，分別用Targe169和Targe170來模擬，柔性體的表面被當作“接觸面”，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174來模。擬一個“接觸對”包括一個目標單元和一個接觸單元。共享的實常數(shù)實現(xiàn)了接觸對的程序，通常給建立好的“接觸對”的指定相同的實常數(shù)。
面一面接觸與點—面接觸相比有以下優(yōu)點：
①支持大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計算，不對稱單元剛度陣的計算等。
②支持低階單元和高階單元。
③提供可用于工程目的采用的更合適的接觸結(jié)果，如法向壓力和摩擦應(yīng)力。
④沒有剛體表面形狀的限制，允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)。
⑤與點一面接觸單元相比，不需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和CPU計算時間較短。
⑥允許多種建模控制，如目標面自動移動到初始接觸位置、綁定接觸、平移接觸面和支持單元死活等。
2)點一面接觸單元
點一面的接觸行為主要通過點一面接觸單元來建模。Contact175、Contact26、Contact48和Contact49都是點一面接觸單元，都支持相對滑動、大變形，接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格。面一面的接觸問題可以通過點一面的接觸單元定義一組節(jié)點定義接觸面來模擬。
3)點一點接觸單元
點一點的接觸行為主要通過點一點接觸單元來模擬。為了使用點一點接觸單元，必須知道接觸位置，點一點的接觸問題僅適用于接觸面之間有較小相對滑動。
本文中模具的剛度遠大于秸稈物料的剛度，模具與秸稈物料之間的接觸是軟質(zhì)材料與硬質(zhì)材料之間的接觸，屬于一對剛體—柔體接觸。摩擦行為由庫侖定律處理，摩擦系數(shù)取0.2。采用二維的面面接觸單元(TARGET169和CONTACT172)，模具是剛性體，為目標面，用TARGET169單元；玉米秸稈是柔性體，為接觸面，用CONTACT172單元。接觸對模型如圖4-4所示。
4.2施加載荷并求解
ANSYS軟件中的載荷包括了所有的邊界條件（約束、支承或邊界場的參數(shù)）、外部或內(nèi)部的作用效應(yīng)。我們所用的荷載一般分為六種不同類型：
1) DOF約束(DOF constraint):用于對模型自由度的限定，已知量表示某個給定的自由度。
2)力( force):施加在模型節(jié)點上的集中載荷。
3)表面載荷(surface load):施加于某個單元上的分布載荷，包括線分布和面分布。
4)體積載荷(body load):為體積或場載荷，作用在體積或場域內(nèi)。
5)慣性載荷(inertia loads):主要用在結(jié)構(gòu)分析中，是由慣性引起的載荷。
6)耦合場載荷(coupled-fidld loads):是上載荷的一種特殊情況，一種結(jié)果作用為另一分析的載荷。
本文主要模擬秸稈致密成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布以及模具內(nèi)物料的流變規(guī)律，分析物料的受力和變形問題。給模具的外表面和底部施加固定約束，給物料上表面施加一個Y方向的位移載荷，如圖4-5所示。
完成了約束及載荷的施加，進入ANSYS求解器(solution)，由于生物質(zhì)致密成型屬于非線性問題，容易出現(xiàn)不收斂的情況，為避免計算結(jié)果不收斂，在本文分析時針對非線性分析的選項中打開了線性搜索和變形預(yù)測，設(shè)定大位移選項( Largedisplacement static)并在求解選項中打開了自動時間步長，計算時選用選Full N-Runsyrnm求解器，如圖4-6所示。
完成求解設(shè)置以后便可以進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析。
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