基于ANSYS的生物質成型機模具的仿真分析

王述洋　王輝　李姊靜

摘要：針對生物質成型機模具磨損過快、壽命短、成本高、更換頻率過快等缺點，通過對幾種不同入口錐度的活動模具進行建模、靜力學分析，比較不同入口錐度活動模具節點位移云圖和應力、應變云圖，選出最合適的入口錐度，優化模具結構。對擠壓過程進行有限元分析，揭示成型過程中應力、應變等變化過程，為生物質成型機模具設計提供理論基礎。

關鍵詞：生物質；模具；錐度；應力；有限元分析

中圖分類號： TK64 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0365-04

當今世界上的化石能源石油、煤炭等儲量越來越少，而我國經濟發展越來越快，對能源的需求則越來越大，2014年中國原油進口量超過3 100億kg，進口煤炭2 910億kg。所以，生物質利用技術受到了國家的高度重視，國家發展和改革委員會在關于“‘十二五生物質致密成型燃料發展規劃”中提出，到 2020年，使秸稈致密燃料成為普遍使用的一種優質燃料[1]，每年消耗致密燃料500億kg，代替 300億kg煤，我國擁有豐富的秸稈等生物質，充分利用可代替化石燃料，實現可再生能源利用，保護環境，防止霧霾。但是，秸稈等生物質燃料存在自然堆積密度低、雜亂、松散、收集困難、儲運費用過高等問題[2]，生物質致密成型技術是解決這一問題的關鍵，生物質平模成型機是生物質成型的重要設備[3]，而模具則是成型機核心部件，它決定了產品質量、成型效率以及生產成本，本研究對不同錐度的模具結構進行靜力分析，選出最佳錐度，并對成型過程進行非線性靜力學分析，觀察平模成型過程中應力、應變變化規律。

1 生物質成型機工作原理

生物質平模致密成型機由儲料室、直壓輥-壓輥架系統、活動模具、平模盤、主傳動軸、減速器和動力系統等組成。動力通過帶輪傳遞給減速器，通過減速器變向后帶動主傳動軸轉動，進而帶動壓輥架旋轉，壓輥架上安裝2個對稱直壓輥。在加工過程中，生物質原料充滿壓輥與平模盤的間隙，直壓輥在生物質原料對其摩擦力作用下自轉，并實現原料的平鋪；在直壓輥將生物質原料壓入到活動模具中，完成致密成型加工[4]。據研究，成型壓力在40 MPa以上，顆粒燃料的密度可達1 000 kg/m3。

直壓輥在旋轉過程中把秸稈等生物質壓入模具，原料與模具之間產生摩擦力以及模具對原料的壓縮力，直壓輥在平模無孔處也進行壓縮和摩擦，不必要的磨損和能耗浪費縮短了模具的使用壽命。針對這些缺點，通過對不同錐度的模具進行受力分析，并對成型過程進行模擬仿真，選出最優的錐度模具，提高它的使用壽命、降低能耗、提高生產率和產品質量（圖1、圖2）。

2 成型機模具分析及仿真結果

成型機模具是擠壓成型過程中的關鍵部件，在工作過程中，套筒承受著壓輥對生物質的壓力，因此對成型機模具進行應力分析可得到模具的變形和受力情況，結果如圖3所示。

2.1 受力分析

能夠完成生物質成型過程需要滿足：

2.2 有限元分析

（1）在SolidWorks三維軟件中建立入口錐度分別為30°、45°、60°的活動模具，如圖4所示，然后導入到ANSYS Workbench模塊中對其進行節點位移、應力以及應變分析。（2）網格劃分以及施加約束和載荷。活動模具材料選定為45鋼，其性能參數為：彈性模量E=210 GPa、密度ρ=7.8 g/cm3、泊松比 μ=0.29。劃分網格時設定劃分網格單元大小為5 mm，總共生成節點數14 421個，單元數7 934個。（3）求解分析。本研究對不同入口錐度活動模具的節點位移以及活動模具應力變化云圖進行分析比較，其求解結果如圖5至圖10所示。

由節點位移云圖可知，隨著模具入口錐度增加，節點位移不斷增大，沿中心軸線自上而下逐漸增大。3種不同入口錐度對活動模具節點位移影響較大，即當入口錐度為30°時，活動模具節點最大位移為0.260 29 mm；當入口錐度為45°時，模具節點最大位移為0.278 72 mm；當入口錐度為60°時，活動模具節點最大位移為0.333 56 mm，3種不同入口錐度對活動模具節點位移的影響從大到小依次為60°>45°>30°。由應力分布云圖可知，隨著入口錐度增加，活動模具所受最大應力不斷增大，沿中心軸線由下至上逐漸增大，且在模具上端圓臺端面處所受應力最大。當入口錐度為30°時，模具所受最大應力為215.7 MPa；當入口錐度為45°時，模具所受最大應力238.44 MPa；當入口錐度為60°時，模具所受最大應力為289.52 MPa。當活動模具入口錐度為30°時，節點位移以及最大應力最小，此時其結構最優。

3 致密成型過程有限元分析

生物質在平模成型機模具中被擠壓過程中，生物質和活動模具之間的接觸屬于剛體-柔體面-面的接觸，這是高度非線性的，為了高效的計算過程和準確的計算結果，須要建立合理的有限元模型。線性的有限元法進行非線性的問題數值模擬計算中最有效的方法之一，在擠壓成型過程中，非線性接觸包括幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等，非線性問題正常是用一系列帶校正系數的線性方法來近似求解，常把載荷分解成一系列的載荷增量，然后在多個載荷步內或者是1個載荷步中多個子步上施加載荷增量。

3.1 建立模型

生物質致密成型過程是非線性的，屬于接觸問題分析，接觸類型為摩擦，通過Solidworks建立三維模型，模具的錐度為30°，為了便于研究問題、簡化模型，選擇模具和生物質的1/2作為研究對象，導入到ANSYS Workbench中[5-6]。

3.2 設置材料屬性建立接觸對

生物質原料與活動模具之間的接觸為柔性—剛性面接觸，將活動模具表面定義為目標面，秸稈原料表面定義為接觸面，接觸對摩擦系數為0.19。確定材料參數，選用玉米秸稈為研究對象[7-8]，玉米秸稈應力和應變的表達式為：

σeq=104.9（0.36+ε）3.18。

式中：σeq代表材料等效應力；ε代表等效應變。

選定的玉米秸稈和活動模具的參數見表3。

3.3 網格劃分

生物質擠壓成型過程屬于非線性應變，對網格密度要求較高，采用Automatic Method方式，因為在壓縮成型過程中，玉米秸稈存在塑性變形，網格劃分要比活動模具更細密，秸稈單位尺寸設置為2 mm，活動模具單位尺寸設置為4 mm，效果如圖11所示。

3.4 施加載荷約束并求解

對活動模具下端及右側施加固定約束，左側施加對稱約束；秸稈上端施加沿Y軸方向的位移約束，左側施加對稱約束。生物質原料受到沿Y軸負方向載荷10 MPa，模具上表面受到壓力555 Pa，為保證分析結果的收斂，打開Analysis setting 選項，其中Number of Sunsteps設置為15，Step End Time設置為10，Large Deflection 設置為on以激活大應變效應，點擊Solution（B6） 選擇Solve（求解）進行求解，具體結果如圖12至圖17所示。

通過圖12、圖13可看到，生物質成型過程中所受應力最大的地方是活動模具上端錐面，最大應力為96.49 MPa，節點總位移最大為0.053 854 mm；由圖14、圖15可知，生物質原料與活動模具接觸對間應力、節點間滑移量沿錐面接觸面向下逐漸增加，在錐面與圓柱面接口處最大，此時接觸對間應力值為96.524 MPa，摩擦應力物料在壓力的作用下進入活動模具，與模具壁產生摩擦，生物質被壓縮進模具，當物料進入錐形區時，摩擦力增大，并在錐形角處摩擦力值達到最大，達到16.592 MPa； 秸稈原料與模具錐面接觸處的應變達到最大值

0.038 415 mm時，因為受剪應力的影響秸稈原料中部位置應變較小；y方向應變的最大值在模具錐面與下部連接處，為 0.039 428 mm，此處摩擦力最大，磨損最嚴重，最小值位于模具入口物料處。

4 結論

生物質成型過程中，活動模具容易磨損或變形，會降低生產率、提高生產成本，為了提高生產率、降低生產成本，通過對活動模具的受載荷情況進行靜力學分析以及成型過程進行仿真分析，對不同錐度活動模具應力、節點位移進行分析，得到成型過程中等效應力、節點位移、接觸摩擦力以及x、y方向的應變情況。通過對比活動模具入口錐度分別為 30°、45°、60°

應力和節點位移云圖可知，節點位移以及最大應力最小，此時其結構最優。對生物質致密成型的節點位移和應力進行分析，結果顯示，生物燃料和活動模具之間的摩擦力作用造成應力分布不均、出現裂紋等缺陷，在模具錐形腔錐角處，其節點位移和等效應力達到最大。通過分析可知，不同位移的接觸摩擦力和接觸壓力不同，在活動模具錐形角處最大，然后向下慢慢變小，趨于穩定。

參考文獻：

[1]陳忠加，俞國勝，王青宇，等. 柱塞式平模生物質成型機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31（19）：31-38.

[2]宮 娜，孫嘉燕，王述洋. 田間秸稈收集處理新技術的研究與探索[J]. 森林工程，2013，29（6）：92-94+101.

[3]陳艷霞. ANSYS Workbench15.0有限元分析[D]. 北京：電子工業出版社，2015

[4]王鳳輝，常 龍，李 游. 秸稈壓縮成型過程仿真分析[J]. 農機化研究，2014（12）：58.

[5]谷志新，鄭文超，趙 林. 秸稈燃料平模成型機平模模孔仿真研究[J]. 生物質化學工程，2013（3）：44-47.

[6]杜曉龍，葛正浩，李成平，等. 秸稈燃料成型機平模的結構改進及壽命分析[J]. 農機化研究，2014（11）：241-243.

[7]丁 寧，邢艷碩，孫 勇，等. 玉米秸稈致密成型燃料擠壓過程有限元分析[J]. 農機化研究，2014（2）：48-51.

[8]孫 清，白紅春，趙 旭，等. 蜂窩狀生物質燃料固化成型有限元分析[J]. 農業機械學報，2009，40（2）：107-109.