基于ANSYS的秸秆活塞式成型特性及摩擦热分析

【摘要】：秸秆固化成型技术能使松散的秸秆致密化,提高秸秆能量密度和燃烧特性,使其可作为清洁能源直接替代煤用于生产生活各个领域,同时也能解决秸秆储存、运输困难问题,是实现秸秆综合化、规模化利用的重要技术手段。但是目前该技术尚需在成型过程特性及成型摩擦热方面加深理论研究,揭示秸秆成型粘结机理,为成型制品品质预测和控制、设备优化提供理论依据。 本文通过对秸秆化学组成、物理特性及常温成型机理的分析,得出影响秸秆常温固化成型品质的关键因素是压缩力和成型过程中的摩擦热。基于该结论,根据活塞式成型技术间歇式生产的特点,对活塞一次冲压成型中成型力变化和物料移动进行实验研究,提出适合活塞式成型技术的“半闭式”成型模型,即成型过程未达到推移阶段前,物料相当于在由模具和靠摩擦力作用下保持静止的已成型制品组成的闭式环境中进行压缩。运用弹塑性力学、接触力学、粘弹性和有限元理论对秸秆固化成型主压缩阶段进行限元分析,研究主压缩阶段物料形变规律、应力分布及接触应力情况,为模具设计和成型工艺改进提供方法指导和依据。 基于摩擦学、传热学原理,结合秸秆活塞式常温成型技术的特点,对成型过程中的摩擦热问题进行研究,通过引入平均压力、当量速度等物理量推导成型过程中摩擦热产生方程,将成型过程摩擦热问题转化为第二、三类边界条件的无内热源的非稳态传热问题；建立成型摩擦热有限元分析模型,对摩擦热引起的温度场分布进行研究,并通过实验验证有限元模拟的正确性,得出摩擦热引起的温度场变化规律；通过对实验样机在不同生产率条件下的摩擦热模拟分析,研究表明模具在摩擦热作用下,温度随着时间升高并稳定在一定温度,其增长速度和稳态温度随着生产率的提高而提高。 在摩擦热引起的温度场规律研究基础上,针对目前秸秆类生物质材料的热物性参数欠缺的现状,进行了秸秆物性参数的实验研究,得出秸秆导热系数、比热随含水率、温度和密度的变化规律,为本文研究摩擦热引起的温度场在成型制品的传导提供数据支持的同时,也能为秸秆类材料热相关的技术研究提供依据；建立秸秆成型过程中摩擦热传导模型,分析不同条件下摩擦热在制品内的分布及对木质素粘结作用进行分析,研究表明制品内温度场分布是由模具温度和制品在模具内滞留时间共同决定的；对于本文实验样机,虽然当生产率为60kg/h时,摩擦热引起的温度场能达到220～230℃,生产率为50kg/h时温度场为180～190℃,但是由于制品在模具内滞留时间的影响,生产率为50kg/h,制品中心木质素也能达到软化温度,成型品质较高；该研究能为成型生产工艺改进、提高成型品质和设备设计提供理论依据。 【关键词】：生物质 秸秆成型 有限元 主压缩 摩擦热
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 课题研究背景及意义15-17
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究意义16-17
• 1.2 成型工艺与设备简介17-19
• 1.2.1 活塞式成型17-18
• 1.2.2 螺旋式成型18
• 1.2.3 模压式成型18-19
• 1.3 国内外研究现状19-24
• 1.3.1 压缩特性研究19-21
• 1.3.2 流变学研究21-22
• 1.3.3 应力应变分布规律22
• 1.3.4 成型影响因素及优化研究22-24
• 1.4 研究中存在的问题24
• 1.5 课题研究内容24-27
• 第2章 秸秆常温活塞式固化成型技术27-43
• 2.1 秸秆成型特性分析27-30
• 2.1.1 基本化学组成27-28
• 2.1.2 主要化学成分在成型过程中的作用28-29
• 2.1.3 物理特性29-30
• 2.1.4 成型机理30
• 2.2 秸秆活塞式成型过程分析30-35
• 2.2.1 结构及工作过程31
• 2.2.2 活塞式冲压成型技术特点31-33
• 2.2.3 成型过程的分解33-35
• 2.2.4 保证成型品质的关键阶段35
• 2.3 秸秆固化成型中的非线性问题35-41
• 2.3.1 有限变形描述35-37
• 2.3.2 弹塑性非线性37-39
• 2.3.3 接触非线性39-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 秸秆活塞式固化成型主压缩分析43-63
• 3.1 引言43
• 3.2 可压缩连续体假设43-44
• 3.3 秸秆固化成型有限元弹塑性本构方程44-53
• 3.3.1 屈服准则44-48
• 3.3.2 强化准则48
• 3.3.3 流动准则48-49
• 3.3.4 秸秆固化成型本构方程49-53
• 3.4 秸秆固化成型有限元对接触问题的处理53-54
• 3.5 秸秆固化成型主压缩有限元模拟54-58
• 3.5.1 建立模型54-55
• 3.5.2 选择单元和材料特性55
• 3.5.3 网格划分55-56
• 3.5.4 定义接触56-57
• 3.5.5 施加载荷并求解57-58
• 3.6 模拟结果分析58-61
• 3.6.1 位移场分布58-59
• 3.6.2 应力分析59-61
• 3.6.3 接触应力分析61
• 3.7 本章小结61-63
• 第4章 成型摩擦热分析63-79
• 4.1 引言63
• 4.2 成型各阶段摩擦热及影响63-64
• 4.3 摩擦热的计算64-67
• 4.3.1 基本假设64-65
• 4.3.2 摩擦热的计算65-67
• 4.3.3 摩擦热影响因素分析67
• 4.4 传热基本方程和边界条件67-71
• 4.4.1 传热方程及推导67-68
• 4.4.2 单值性条件68-69
• 4.4.3 温度场求解69-71
• 4.5 摩擦热有限元模拟71-75
• 4.5.1 模型的建立71
• 4.5.2 材料参数71-72
• 4.5.3 载荷边界条件72
• 4.5.4 模拟结果和分析72-75
• 4.6 试验验证75-76
• 4.6.1 试验步骤75-76
• 4.6.2 试验结果和分析76
• 4.7 本章小结76-79
• 第5章 摩擦热对成型制品的影响分析79-91
• 5.1 引言79
• 5.2 原料的热物性参数79-85
• 5.2.1 比热测试80-82
• 5.2.2 导热系数测试82-85
• 5.3 固化成型热传导控制方程85-86
• 5.4 温度场有限元模拟86-87
• 5.4.1 模型建立和材料属性86
• 5.4.2 单元选取和网格划分86-87
• 5.4.3 载荷和边界条件87
• 5.4.4 瞬态温度场求解87
• 5.5 温度场结果分析87-89
• 5.5.1 温度场总体分布规律87-88
• 5.5.2 温度场分布对制品质量的影响88-89
• 5.6 本章小结89-91
• 总结与展望91-93
• 参考文献93-99
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参研课题99-101
• 致谢101-102
• 学位论文评阅及答辩情况表102

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