基于離散元的沙柳細枝顆粒致密成型過程力鏈傳遞研究

高雨航，孫秀茹

(煙臺黃金職業學院，山東 煙臺 265400)

世界化石能源資源量有限，消費量逐年增加，且燃燒過程釋放的有害氣體對環境污染日益加劇，因此，世界各國學者正研究和探索新能源[1]。相比其他種類能源，生物質能是一種綠色無污染的可再生能源。沙柳作為我國西北部沙漠地區造林面積最大的樹種之一，具有“平茬復壯”的生物習性，是發展生物質成型燃料可依賴的重要原料資源，對其進行致密壓縮處理，可以緩解我國的能源短缺問題，對環境保護具有重要意義[2]。

沙柳細枝的細胞構造和排列方式等決定了其力學性質多表現為各向異性[3]，致密成型前呈離散狀態。在其由松散到致密的形態轉變過程中，顆粒固化黏結成棒狀燃料，用連續體力學分析方法很難確切研究。因此，采用離散元方法來模擬沙柳細枝顆粒致密成型過程更接近實際，而力鏈不僅是宏觀顆粒體系的細觀力學行為，也是外載荷的傳遞路徑[4]。筆者采用離散元方法，對沙柳細枝顆粒致密成型過程中力鏈的傳遞規律進行研究，以期為生物質固化成型技術的發展提供新的途徑。

1 理論基礎

離散單元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根據單元之間的相互作用和牛頓運動定律，提出的一種顆粒物料細觀力學分析方法[5]。由于沙柳顆粒力學本構模型具有黏彈特性，其顆粒運動發生碰撞時會產生顯著的塑性變形，因此，選用軟球模型(見圖1)來描述顆粒間的接觸模型。采用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型模擬沙柳顆粒致密成型過程[6]。

圖1 軟球模型

2 離散元仿真

為促使沙柳顆粒更容易進入成型腔內，成型模具進料口處應有一定錐度，而錐度的大小與成型燃料的密度和模具的壽命有關。當模具開口錐度為45°時，進料錐面所受應力較小[7]。因此，本次試驗選用45°錐角的模具，模具尺寸參數如圖2a所示。根據圖2a中的尺寸參數和約束條件創建的離散元模型如圖2b所示。

a.模具內腔 b.離散元模型

注:1.柱塞；2.進料口；3.成型腔；4.底部墊片

模擬時，選用粒徑為0.5mm～3.5mm，用球形顆粒近視代替原物料，采用隨機方式生成顆粒，生成完畢且達到穩定后進入待壓縮狀態。柱塞以100mm/min的速度勻速向下運動。設置仿真總時間為96s，即柱塞向下運動160mm。仿真網格尺寸為3Rmin(最小顆粒半徑)。模擬開始后，每隔1s記錄1次。

3 結果與討論

3.1 軸向方向力鏈傳遞分析

軸向方向不同時間節點顆粒間接觸力分布圖如圖3所示，圖3(a)～3(f)按順序分別對應于2s、16s、28s、40s、55s、85s時刻。圖中橫坐標代表軸向方向位置(其中，0點代表底部位置，正值為遠離底部位置向上一側)，縱坐標代表顆粒間接觸力分布情況。在2s時，顆粒靜止堆積，符合“糧倉效應”，重力有方向性地傳播，最大接觸力值出現在底部；在16s時，柱塞開始與物料接觸，而底部顆粒由于重力的原因變形較大，最大接觸力由兩端向中心傳遞，最大接觸力值位置逐漸經歷由底部向頂部層變化的過程；在28s時，最大接觸力基本保持由上向下逐漸降低的規律；在40s時，整個成型燃料接觸力值保持接近；在55s時，最大接觸力由頂部、底部向中心傳遞；在85s時，各部分接觸力逐漸趨于平穩，且接觸力值保持接近。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)圖3 軸向方向顆粒間接觸力分布

(a) (b) (c)圖4 周向方向顆粒間接觸力分布

3.2 周向方向力鏈傳遞分析

周向方向不同時間節點顆粒間接觸力分布圖如圖4所示，圖4(a)～4(c)按順序分別對應于5s、50s、85s時刻。在5s時，顆粒體系在外載荷和重力作用下消除顆粒間空隙，各部分接觸力值相近；在50s時，顆粒體系受力膨脹，成型模具外壁受到物料的沖擊而提供給顆粒反作用力，最大接觸力由左、右兩端向中心傳遞；在85s時，各部分接觸力逐漸趨于平穩，且接觸力值保持接近。

4 結論

通過離散元方法對沙柳細枝顆粒致密成型過程中力鏈傳遞規律進行研究，得到軸向方向接觸力從上向下傳遞后均勻分布，再從兩端向中心傳遞后均勻分布的過程。周向方向接觸力從均勻分布到邊緣向中心傳遞，再均勻分布在顆粒體系內。