引言
     生物質固化成型技術是將生物質原料經干燥、粉碎到一定粒度，在一定濕度、壓力和溫度條件下，使生物質原料顆粒位置重新排列并發生機械變形和塑性變形，成為形狀規則、密度較大、燃燒值較高的固體燃料的過程。同其他成型技術相比，液壓成型技術設備運行穩定性好、噪聲小、原料適用性強，可實現大規模的生產和應用。目前國內外對生物質液壓成型方面的研究，主要集中在原料種類、含水率、粒度、溫度、成型壓力等方面的試驗研究和理論探討上，對液壓成型主要部件——模具的研究較少。O'Dogherty等研究了壓模直徑、喂入量和保型時間對壓縮成型的影響，得出影響生物質成型因素與成型品質及能耗間的關系，但研究中沒有考慮模具錐角對成型的影響。液壓成型模具錐角是影響成型的關鍵參數，錐角大小影響壓縮過程中的摩擦力和消耗的壓縮能，決定生物質成型密度和成型品質。傳統工業生產中液壓模具的設計一般采用“Trial and Error”方法。該方法需反復試模、修模，成本高，周期長。本文針對液壓成型機主成型階段，采用ANSYS有限元模擬軟件進行數值模擬，運用其特有的APDL參數化語言對模具錐角進行優化研究，對優化后的結果進行試驗與對比分析。
1、模具內物料受力分析
    液壓成型機主要依靠物料與主要成型部件——模具之間的摩擦力和錐型腔形成的擠壓阻力實現原料的壓縮成型，原料擠壓所需要的成型壓力與擠壓模具內壁的摩擦力相平衡，而摩擦力大小與模具的形狀尺寸有直接關系。對模具錐角進行優化，首先要分析物料在擠壓過程中的受力情況，考慮到模具的軸對稱性，取模孔截面的A -A剖視圖作受力分析。圖l為液壓成型機及模具內物料受力圖。式中Pi-成型區模壁對物料施加的單位壓力
    P2——錐型腔模壁對物料施加的單位壓力
    p3-保型區模壁對物料施加的單位壓力
    D-模具大端直徑
    d——模具小端直徑
    L-成型區長度    Z——保型區長度
    u——摩擦因數  e-側壓系數
由式(3)可以看出，擠壓過程中影響物料成型壓力的因素主要是物料的性能參數e、u和模具的結構尺寸。當其他參數取值一定的情況下，錐角a是影響成型壓力的關鍵因素，決定生物質成型品質和成型密度。
    秸稈壓塊機、秸稈顆粒機等是專業壓制農作物秸稈的成型機械設備。
2、模型建立
2.1幾何模型
    按物料的不同受力情況，液壓成型壓縮過程分為預壓縮、主壓縮和擠出保型3個階段。選取成型的主壓縮階段作為研究對象。
    液壓成型模具的結構具有軸對稱性，考慮到計算成本及二維模型數值模擬與實際的擬合度，故此研究取模孔截面的1/2為研究對象。研究采用ANSYS的APDL參數化語言建立成型的二維軸對稱幾何模型如圖2所示，固定大小端端面積比在1.2—1.5之間，只改變錐角口便可以建立新的分析模型。圖中，6為模具錐長。
2.2材料屬性和單元類型
    選用棉稈作為研究對象，在壓縮成型過程中，建立棉稈、模具、接觸對3種材料模型，其材料屬性如表1所示。
    考慮液壓模具錐角的存在對網格劃分的影響，單元類型選擇具有八節點的高階二維Plane 82單元。考慮生物質固化成型時擠壓摩擦大變形的特點，選用二維面一面接觸單元Target 169和Contact172來模擬棉稈與模具的摩擦接觸。
2.3網格劃分
    對所建立的有限元模型進行網格劃分，棉稈在擠壓過程中因有塑性變形且產生較大的位移，采用自適用網格劃分；對模具，則采用智能分網控制生成自由網格。
2.4施加載荷、約束及求解
    液壓成型模具工作環境涉及空間、力等載荷條件，因此在擠壓成型過程中所施加的載荷、約束、邊界條件涉及位移、壓力等。模具和機器本體相連，外表面為固定約束，兩端面和機器的其他部件固定相連，也采用固定約束。由于結構采用對稱形式，成型塊的左側采用對稱約束。在成型塊的上部施加壓力和位移作為載荷。
    考慮到模型狀態非線性接觸問題涉及內容的復雜性和摩擦的影響，在求解前做如下規定：在求解控制項中Sol’n Controls中選Large DisplacementStatic．考慮大變形影響，打開自動時間步預測，在Analysis Options中打開Large deform effect。將牛頓一拉普森選項設置為Full N-R unsymm算法。采用線性搜索(line search)，目的是避免較大的時間增量導致迭代變得不穩定。
3、后處理結果分析
    通過ANSYS提供的APDL參數化設計語言編制模具錐角口的優化程序，通過改變錐角口參數值建立新的分析模型。對比螺旋擠壓成型中螺旋角的取值，考慮成型模具的錐角過大易形成死角，為使物料能在模具中穩定成型和推出，優化設計的錐角口不大于10°。
3.1錐角與應力關系
    采用APDL參數化語言優化模具錐角，得到錐角與模具最大等效應力關系曲線如圖3所示。
    從圖3可以看出，錐角與等效應力間呈現二次拋物線關系，錐角d在5.5°～6.0°范圍內，等效應力相對較小。這主要是因為：在主壓縮階段，同時存在壓應力和剪應力，當口角減小時，物料向中間部位移動較少，應力變形主要集中在模具整個錐面上，壓應力增大，應力曲線上升；當a角增大時，物料快速向中間積累，受壓變形的物料增多，壓應力相對減少，剪應力增加，應力曲線呈上升趨勢。在錐型腔處，壓應力和剪應力同時存在。此處的材料為模具上應力集中最為嚴重的地方，應力超過模具的屈服強度時，在此薄弱部位產生微小裂紋，摩擦磨損嚴重到一定程度，模具失效。合理設計模具錐角能提高模具使用壽命。
3.2不同錐角時摩擦力與位移關系
    模具錐角為5.0°，5.5°，6.0°和7.O°時摩擦力與位移關系曲線如圖4所示。
    從圖4可以看出，錐角不同對摩擦力的影響也不同，但存在相同的影響趨勢：在擠壓開始階段摩擦力較小，因物料本身流動性差和相互牽連的特性，摩擦力以不規則的形式增大；當移動到模具錐型腔附近，作用于錐型面上的壓力達到最大，受到的摩擦力最大，而后作用壓力逐漸減少，摩擦力迅速下降并趨于穩定。這主要是因為成型開始時以壓實致密為主，增長較緩，隨著塑性變形的增加，施加的壓力增大，摩擦力迅速增大，在錐型腔處，由于模壁側壓力的增加，摩擦力達到最大值，經過錐型腔區域后，側壓力減小，摩擦力下降趨于穩定。當模具錐角取5.5°～6.0°時，摩擦力與位移關系曲線變化較平穩，擠壓過程中產生的摩擦力相對較小，應力在模具上均勻分布。圖5為模具錐角取6.0°時產生的摩擦力分布圖。
4、試驗
    為了對比優化前模具錐角與優化后模具錐角對成型燃料成型品質和成型密度的影響，在液壓成型機上進行了試驗。試驗中選取的液壓成型設備除成型模具錐角不同外，其余結構參數完全相同；試驗所需原料種類、粒度、含水率及每次成型時所需原料質量亦完全相同。試驗以棉稈為原料，粉碎粒度為5 mm，含水率為15%，初始密度365 kg/m3。
4.1成型燃料外形對比分析
    優化前成型模具錐角與優化后成型模具錐角出模后的棉稈成型燃料外形對比如圖6所示。從圖6可以看出，模具錐角優化前成型燃料比較粗糙，密度低，放置一段時間后表面出現嚴重裂紋現象，不便儲藏、運輸；優化后的成型燃料表面光滑，密度高，成型品質好，便于儲藏運輸。
4.2成型燃料性質對比分析
    在生物質成型燃料性質中，松弛密度和耐久性是衡量成型燃料品質的兩個重要指標，直接決定成型燃料的使用、運輸和貯藏條件。
4.2.1松弛密度對比分析
    生物質成型燃料在出模后，由于彈性變形和應力松弛，其密度逐漸減小，一段時間后密度趨于穩定，此時成型燃料的密度稱為松弛密度。將優化前成型模具與優化后成型模具出模后的成型燃料放置3h，用游標卡尺測出直徑R和高度^。每次試驗前稱取棉稈質量m．記錄活塞最大位移s．每組測試5次，取平均值，物料起始厚度H。
    通過上述公式進行數據處理，處理后的對比分析結果如表2所示。
    由表2可以看出，在試驗條件相同的情況下，模具錐角優化后的成型燃料與模具錐角優化前的成型燃料相比，成型燃料的松弛密度增大，松弛比減小，成型燃料成型密度好，便于使用。
4.2.2耐久性對比分析
    耐久性反映成型燃料的粘結性能，決定成型燃料的使用和貯藏性能。抗滲水性是衡量耐久性的重要性能指標。分別將優化前與優化后的成型燃料樣品置于25°的水面下10mm，持續時間30s，觀察吸水現象。成型模具錐角優化前的成型燃料吸水性強，體積膨脹快，形狀基本改變，松散、裂紋嚴重，極易碎；成型模具錐角優化后的成型燃料吸水性弱，體積膨脹較慢，直徑變化不大，高度增加，有一定硬度，不易碎。圖7為優化前與優化后棉稈成型燃料吸水后的特征對比圖。可見錐角優化后的成型模具能大大提高成型塊的成型品質和成型密度。
5、結論
    (1)通過使用ANSYS APDL參數化語言對在其他參數取值一定時的模具錐角進行優化設計，研究發現液壓成型模具錐角是影響成型的關鍵參數，錐角大小影響壓縮過程中的等效應力和摩擦力。當模具錐角在5.5°～6.0°范圍內，成型模具受力均勻，物料壓縮流動性和成型性好。
    (2)模具錐角對成型塊的成型密度和成型品質影響顯著。經優化后的成型模具擠壓成型的成型塊較優化前成型品質好，成型密度高，宜于使用、存儲和運輸。
    (3) APDL參數化建模能較好地模擬生物質物料擠壓成型過程。當改變操作條件或選取不同物料時，只需修改相關參數，便可經過優化得到不同的優化結果。