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(guò)程看上去很簡(jiǎn)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(guò)程中，物料經(jīng)喂料機(jī)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(shí)際幾何模型的建立取決于眾多因素，但是在致密成型過(guò)程中為了方便研究問(wèn)題，對(duì)模型適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立分析模型，如圖4-1所示。
本文根據(jù)實(shí)際情況作以下假設(shè)：
1)將生物質(zhì)致密成型過(guò)程簡(jiǎn)化為彈塑性體與剛性體的非光滑接觸計(jì)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(wèn)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(wèn)題。非線性問(wèn)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(wèn)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(jìn)入擠壓。本文主要研究成型孔對(duì)致密成型的影響，考慮結(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性，對(duì)實(shí)際裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用軸對(duì)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(duì)有限元模型中將要用到的單元屬性進(jìn)行定義，單元屬性一般包括：?jiǎn)卧愋汀?shí)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(dāng)?shù)膯卧愋停饕歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀進(jìn)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(gè)數(shù)。
有限元的基本思想在于將求解域離散化。對(duì)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(diǎn)，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(jì)算會(huì)很快速準(zhǔn)確；若選擇不當(dāng)，分析結(jié)果可能出現(xiàn)較大的誤差，甚至有可能完全不對(duì)。
為適應(yīng)不同的分析需要，ANSYS單元庫(kù)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(shí)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(dú)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(guò)程中主要涉及結(jié)構(gòu)非線性分析，考慮到擠壓過(guò)程中物料出現(xiàn)大變形問(wèn)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(diǎn)四邊形面單元PIAN182，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(jìn)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(duì)模型其進(jìn)行網(wǎng)格化分。網(wǎng)格劃分是整個(gè)分析過(guò)程最重要的步驟之一，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)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(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度有很大的影響，如果網(wǎng)格劃分的不合理可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，嚴(yán)重時(shí)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(méi)有特定的規(guī)則，對(duì)單元形狀沒(méi)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(duì)建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分很重要，對(duì)計(jì)算時(shí)間和結(jié)果影響很大。根據(jù)實(shí)際情況確定采用自由還是映射網(wǎng)格進(jìn)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(guò)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(wèn)題，所以必須建立接觸單元，進(jìn)行接觸分析。
接觸問(wèn)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(dāng)剛體和柔體接觸時(shí)，一個(gè)或多個(gè)接觸面被當(dāng)作剛體。在軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料接觸時(shí)，‘可看做為柔體一剛體的接觸問(wèn)題，許多非金屬和金屬成型問(wèn)題都屬于柔體一剛體的接觸問(wèn)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(jiàn)的接觸類型，通常這種情況下，兩個(gè)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(guò)程中擠壓模和玉米秸稈之間存在擠壓、滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，進(jìn)行有限元分析時(shí)必須建立接觸副( Contact Pair)。
ANSYS支持三種接觸方式：點(diǎn)一點(diǎn)接觸，點(diǎn)一面接觸，‘面—面接觸。
在分析問(wèn)題時(shí)必須確認(rèn)模型中的哪些部分可能會(huì)相互接觸，然后再給接觸問(wèn)題建模，如果相互接觸的是一點(diǎn)，那么模型對(duì)應(yīng)的組元就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果相互接觸的有一個(gè)是面，那么模型的對(duì)應(yīng)組元是單元。有限元模型接觸匹配對(duì)通過(guò)指定的接觸單元來(lái)識(shí)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(lái)處理剛體一柔體和柔體—柔體面面接觸問(wèn)題的單元，實(shí)體的接觸關(guān)系通過(guò)這些單元“目標(biāo)面”和“接觸對(duì)”來(lái)模擬。
剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)面”，分別用Targe169和Targe170來(lái)模擬，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸面”，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174來(lái)模。擬一個(gè)“接觸對(duì)”包括一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元。共享的實(shí)常數(shù)實(shí)現(xiàn)了接觸對(duì)的程序，通常給建立好的“接觸對(duì)”的指定相同的實(shí)常數(shù)。
面一面接觸與點(diǎn)—面接觸相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
①支持大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，不對(duì)稱單元?jiǎng)偠汝嚨挠?jì)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(méi)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(diǎn)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(pán)空間和CPU計(jì)算時(shí)間較短。
⑥允許多種建模控制，如目標(biāo)面自動(dòng)移動(dòng)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(diǎn)一面接觸單元
點(diǎn)一面的接觸行為主要通過(guò)點(diǎn)一面接觸單元來(lái)建模。Contact175、Contact26、Contact48和Contact49都是點(diǎn)一面接觸單元，都支持相對(duì)滑動(dòng)、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(wèn)題可以通過(guò)點(diǎn)一面的接觸單元定義一組節(jié)點(diǎn)定義接觸面來(lái)模擬。
3)點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元
點(diǎn)一點(diǎn)的接觸行為主要通過(guò)點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元來(lái)模擬。為了使用點(diǎn)一點(diǎn)接觸單元，必須知道接觸位置，點(diǎn)一點(diǎn)的接觸問(wèn)題僅適用于接觸面之間有較小相對(duì)滑動(dòng)。
本文中模具的剛度遠(yuǎn)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(duì)剛體—柔體接觸。摩擦行為由庫(kù)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(biāo)面，用TARGET169單元；玉米秸稈是柔性體，為接觸面，用CONTACT172單元。接觸對(duì)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(chǎng)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(duì)模型自由度的限定，已知量表示某個(gè)給定的自由度。
2)力( force):施加在模型節(jié)點(diǎn)上的集中載荷。
3)表面載荷(surface load):施加于某個(gè)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(chǎng)載荷，作用在體積或場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(wèn)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(gè)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(jìn)入ANSYS求解器(solution)，由于生物質(zhì)致密成型屬于非線性問(wèn)題，容易出現(xiàn)不收斂的情況，為避免計(jì)算結(jié)果不收斂，在本文分析時(shí)針對(duì)非線性分析的選項(xiàng)中打開(kāi)了線性搜索和變形預(yù)測(cè)，設(shè)定大位移選項(xiàng)( Largedisplacement static)并在求解選項(xiàng)中打開(kāi)了自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算時(shí)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(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析。
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顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。
