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木屑顆粒機成型機理的研究。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
1.1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。
1.2幾何模型的確立
    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100 mm，高度為70 mm，均勻分布5個直徑為14 mm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
2.1前處理
2 .1.1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。
2.1.2網(wǎng)格劃分
    采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，該方法可自動估計網(wǎng)格劃分誤差并細化網(wǎng)格。
2.2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( DELTIM)，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 - Raphson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，線性搜素方法通常導(dǎo)致收斂。
2.3結(jié)果后處理
2.3.1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，表示經(jīng)歷一個壓縮周期所需的時間。
由圖1可知，隨著壓力的增大，靜水壓應(yīng)力隨之增大。孔附近靜水壓應(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。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的顆粒機、木屑顆粒機主要壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
2.3.2等效應(yīng)變
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。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。在生產(chǎn)中可采取緩慢壓縮和提高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(dāng)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，以及多孔材料的塑性理論可知，多孔材料的等效應(yīng)變?nèi)�決于應(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。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。
2.3.3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(dāng)施加作用力達到一定值時，顆粒外形發(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。