生物質固化成型技術是將生物質原料經幹燥、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並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麵的研究，主要集中在原料種類、含水率、粒度、溫度、成型壓力等方麵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wei入ru量liang和he保bao型xing時shi間jian對dui壓ya縮suo成cheng型xing的de影ying響xiang，得de出chu影ying響xiang生sheng物wu質zhi成cheng型xing因yin素su與yu成cheng型xing品pin質zhi及ji能neng耗hao間jian的de關guan係xi，但dan研yan究jiu中zhong沒mei有you考kao慮lv模mo具ju錐zhui角jiao對dui成cheng型xing的de影ying響xiang。液ye壓ya成cheng型xing模mo具ju錐zhui角jiao是shi影ying響xiang成cheng型xing的de關guan鍵jian參can數shu，錐zhui角jiao大da小xiao影ying響xiang壓ya縮suo過guo程cheng中zhong的de摩mo擦ca力li和he消xiao耗hao的de壓ya縮suo能neng，決jue定ding生sheng物wu質zhi成cheng型xing密mi度du和he成cheng型xing品pin質zhi。傳chuan統tong工gong業ye生sheng產chan中zhong液ye壓ya模mo具ju的de設she計ji一yi般ban采cai用yong“Trial and Error”方法。該方法需反複試模、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，對優化後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mo具ju之zhi間jian的de摩mo擦ca力li和he錐zhui型xing腔qiang形xing成cheng的de擠ji壓ya阻zu力li實shi現xian原yuan料liao的de壓ya縮suo成cheng型xing，原yuan料liao擠ji壓ya所suo需xu要yao的de成cheng型xing壓ya力li與yu擠ji壓ya模mo具ju內nei壁bi的de摩mo擦ca力li相xiang平ping衡heng，而er摩mo擦ca力li大da小xiao與yu模mo具ju的de形xing狀zhuang尺chi寸cun有you直zhi接jie關guan係xi。對dui模mo具ju錐zhui角jiao進jin行xing優you化hua，首shou先xian要yao分fen析xi物wu料liao在zai擠ji壓ya過guo程cheng中zhong的de受shou力li情qing況kuang，考kao慮lv到dao模mo具ju的de軸zhou對dui稱cheng性xing，取qu模mo孔kong截jie麵mian的deA -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-側壓係數
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製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，故此研究取模孔截麵的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，固定大小端端麵積比在1.2—1.5之間，隻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，選用二維麵一麵接觸單元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，則采用智能分網控製生成自由網格。
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ya力li等deng。模mo具ju和he機ji器qi本ben體ti相xiang連lian，外wai表biao麵mian為wei固gu定ding約yue束shu，兩liang端duan麵mian和he機ji器qi的de其qi他ta部bu件jian固gu定ding相xiang連lian，也ye采cai用yong固gu定ding約yue束shu。由you於yu結jie構gou采cai用yong對dui稱cheng形xing式shi，成cheng型xing塊kuai的de左zuo側ce采cai用yong對dui稱cheng約yue束shu。在zai成cheng型xing塊kuai的de上shang部bu施shi加jia壓ya力li和he位wei移yi作zuo為wei載zai荷he。
考慮到模型狀態非線性接觸問題涉及內容的複雜性和摩擦的影響，在求解前做如下規定：在求解控製項中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、後處理結果分析
通過ANSYS提供的APDL參(can)數(shu)化(hua)設(she)計(ji)語(yu)言(yan)編(bian)製(zhi)模(mo)具(ju)錐(zhui)角(jiao)口(kou)的(de)優(you)化(hua)程(cheng)序(xu)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)錐(zhui)角(jiao)口(kou)參(can)數(shu)值(zhi)建(jian)立(li)新(xin)的(de)分(fen)析(xi)模(mo)型(xing)。對(dui)比(bi)螺(luo)旋(xuan)擠(ji)壓(ya)成(cheng)型(xing)中(zhong)螺(luo)旋(xuan)角(jiao)的(de)取(qu)值(zhi)，考(kao)慮(lv)成(cheng)型(xing)模(mo)具(ju)的(de)錐(zhui)角(jiao)過(guo)大(da)易(yi)形(xing)成(cheng)死(si)角(jiao)，為(wei)使(shi)物(wu)料(liao)能(neng)在(zai)模(mo)具(ju)中(zhong)穩(wen)定(ding)成(cheng)型(xing)和(he)推(tui)出(chu)，優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)錐(zhui)角(jiao)口(kou)不(bu)大(da)於(yu)10°。
3.1錐角與應力關係
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係曲線如圖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係，錐角d在5.5°～6.0°範圍內，等效應力相對較小。這主要是因為：在zai主zhu壓ya縮suo階jie段duan，同tong時shi存cun在zai壓ya應ying力li和he剪jian應ying力li，當dang口kou角jiao減jian小xiao時shi，物wu料liao向xiang中zhong間jian部bu位wei移yi動dong較jiao少shao，應ying力li變bian形xing主zhu要yao集ji中zhong在zai模mo具ju整zheng個ge錐zhui麵mian上shang，壓ya應ying力li增zeng大da，應ying力li曲qu線xian上shang升sheng；當a角(jiao)增(zeng)大(da)時(shi)，物(wu)料(liao)快(kuai)速(su)向(xiang)中(zhong)間(jian)積(ji)累(lei)，受(shou)壓(ya)變(bian)形(xing)的(de)物(wu)料(liao)增(zeng)多(duo)，壓(ya)應(ying)力(li)相(xiang)對(dui)減(jian)少(shao)，剪(jian)應(ying)力(li)增(zeng)加(jia)，應(ying)力(li)曲(qu)線(xian)呈(cheng)上(shang)升(sheng)趨(qu)勢(shi)。在(zai)錐(zhui)型(xing)腔(qiang)處(chu)，壓(ya)應(ying)力(li)和(he)剪(jian)應(ying)力(li)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)。此(ci)處(chu)的(de)材(cai)料(liao)為(wei)模(mo)具(ju)上(shang)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)最(zui)為(wei)嚴(yan)重(zhong)的(de)地(di)方(fang)，應(ying)力(li)超(chao)過(guo)模(mo)具(ju)的(de)屈(qu)服(fu)強(qiang)度(du)時(shi)，在(zai)此(ci)薄(bo)弱(ruo)部(bu)位(wei)產(chan)生(sheng)微(wei)小(xiao)裂(lie)紋(wen)，摩(mo)擦(ca)磨(mo)損(sun)嚴(yan)重(zhong)到(dao)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)，模(mo)具(ju)失(shi)效(xiao)。合(he)理(li)設(she)計(ji)模(mo)具(ju)錐(zhui)角(jiao)能(neng)提(ti)高(gao)模(mo)具(ju)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。
3.2不同錐角時摩擦力與位移關係
模具錐角為5.0°，5.5°，6.0°和7.O°時摩擦力與位移關係曲線如圖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；dangyidongdaomojuzhuixingqiangfujin，zuoyongyuzhuixingmianshangdeyalidadaozuida，shoudaodemocalizuida，erhouzuoyongyalizhujianjianshao，mocalixunsuxiajiangbingquyuwending。zhezhuyaoshiyinweichengxingkaishishiyiyashizhimiweizhu，zengchangjiaohuan，suizhesuxingbianxingdezengjia，shijiadeyalizengda，mocalixunsuzengda，zaizhuixingqiangchu，youyumobiceyalidezengjia，mocalidadaozuidazhi，jingguozhuixingqiangquyuhou，ceyalijianxiao，mocalixiajiangquyuwending。dangmojuzhuijiaoqu5.5°～6.0°時，摩擦力與位移關係曲線變化較平穩，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wei了le對dui比bi優you化hua前qian模mo具ju錐zhui角jiao與yu優you化hua後hou模mo具ju錐zhui角jiao對dui成cheng型xing燃ran料liao成cheng型xing品pin質zhi和he成cheng型xing密mi度du的de影ying響xiang，在zai液ye壓ya成cheng型xing機ji上shang進jin行xing了le試shi驗yan。試shi驗yan中zhong選xuan取qu的de液ye壓ya成cheng型xing設she備bei除chu成cheng型xing模mo具ju錐zhui角jiao不bu同tong外wai，其qi餘yu結jie構gou參can數shu完wan全quan相xiang同tong；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後成型模具錐角出模後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，放置一段時間後表麵出現嚴重裂紋現象，不便儲藏、運輸；優化後的成型燃料表麵光滑，密度高，成型品質好，便於儲藏運輸。
4.2成型燃料性質對比分析
在生物質成型燃料性質中，鬆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鬆弛密度對比分析
生(sheng)物(wu)質(zhi)成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)在(zai)出(chu)模(mo)後(hou)，由(you)於(yu)彈(dan)性(xing)變(bian)形(xing)和(he)應(ying)力(li)鬆(song)弛(chi)，其(qi)密(mi)度(du)逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)，一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)後(hou)密(mi)度(du)趨(qu)於(yu)穩(wen)定(ding)，此(ci)時(shi)成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)的(de)密(mi)度(du)稱(cheng)為(wei)鬆(song)弛(chi)密(mi)度(du)。將(jiang)優(you)化(hua)前(qian)成(cheng)型(xing)模(mo)具(ju)與(yu)優(you)化(hua)後(hou)成(cheng)型(xing)模(mo)具(ju)出(chu)模(mo)後(hou)的(de)成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)放(fang)置(zhi)3h，用遊標卡尺測出直徑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，處理後的對比分析結果如表2所示。
由表2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，在(zai)試(shi)驗(yan)條(tiao)件(jian)相(xiang)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，模(mo)具(ju)錐(zhui)角(jiao)優(you)化(hua)後(hou)的(de)成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)與(yu)模(mo)具(ju)錐(zhui)角(jiao)優(you)化(hua)前(qian)的(de)成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)相(xiang)比(bi)，成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)的(de)鬆(song)弛(chi)密(mi)度(du)增(zeng)大(da)，鬆(song)弛(chi)比(bi)減(jian)小(xiao)，成(cheng)型(xing)燃(ran)料(liao)成(cheng)型(xing)密(mi)度(du)好(hao)，便(bian)於(yu)使(shi)用(yong)。
4.2.2耐久性對比分析
耐nai久jiu性xing反fan映ying成cheng型xing燃ran料liao的de粘zhan結jie性xing能neng，決jue定ding成cheng型xing燃ran料liao的de使shi用yong和he貯zhu藏zang性xing能neng。抗kang滲shen水shui性xing是shi衡heng量liang耐nai久jiu性xing的de重zhong要yao性xing能neng指zhi標biao。分fen別bie將jiang優you化hua前qian與yu優you化hua後hou的de成cheng型xing燃ran料liao樣yang品pin置zhi於yu25°的水麵下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，鬆散、裂紋嚴重，極易碎；成型模具錐角優化後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為優化前與優化後棉稈成型燃料吸水後的特征對比圖。可見錐角優化後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 APDLcanshuhuayuyanduizaiqitacanshuquzhiyidingshidemojuzhuijiaojinxingyouhuasheji，yanjiufaxianyeyachengxingmojuzhuijiaoshiyingxiangchengxingdeguanjiancanshu，zhuijiaodaxiaoyingxiangyasuoguochengzhongdedengxiaoyinglihemocali。dangmojuzhuijiaozai5.5°～6.0°範圍內，成型模具受力均勻，物料壓縮流動性和成型性好。
(2)模(mo)具(ju)錐(zhui)角(jiao)對(dui)成(cheng)型(xing)塊(kuai)的(de)成(cheng)型(xing)密(mi)度(du)和(he)成(cheng)型(xing)品(pin)質(zhi)影(ying)響(xiang)顯(xian)著(zhu)。經(jing)優(you)化(hua)後(hou)的(de)成(cheng)型(xing)模(mo)具(ju)擠(ji)壓(ya)成(cheng)型(xing)的(de)成(cheng)型(xing)塊(kuai)較(jiao)優(you)化(hua)前(qian)成(cheng)型(xing)品(pin)質(zhi)好(hao)，成(cheng)型(xing)密(mi)度(du)高(gao)，宜(yi)於(yu)使(shi)用(yong)、存儲和運輸。
(3) APDL參(can)數(shu)化(hua)建(jian)模(mo)能(neng)較(jiao)好(hao)地(di)模(mo)擬(ni)生(sheng)物(wu)質(zhi)物(wu)料(liao)擠(ji)壓(ya)成(cheng)型(xing)過(guo)程(cheng)。當(dang)改(gai)變(bian)操(cao)作(zuo)條(tiao)件(jian)或(huo)選(xuan)取(qu)不(bu)同(tong)物(wu)料(liao)時(shi)，隻(zhi)需(xu)修(xiu)改(gai)相(xiang)關(guan)參(can)數(shu)，便(bian)可(ke)經(jing)過(guo)優(you)化(hua)得(de)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)優(you)化(hua)結(jie)果(guo)。
