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摘要：针对生物质成型机模具磨损过快、寿命短、成本高、更换频率过快等缺点，通过对几种不同入口锥度的活动模具进行建模、静力学分析，比较不同入口锥度活动模具节点位移云图和应力、应变云图，选出最合适的入口锥度，优化模具结构。对挤压过程进行有限元分析，揭示成型过程中应力、应变等变化过程，为生物质成型机模具设计提供理论基础。
关键词：生物质；模具；锥度；应力；有限元分析
中图分类号： TK64 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0365-04
当今世界上的化石能源石油、煤炭等储量越来越少，而我国经济发展越来越快，对能源的需求则越来越大，2014年中国原油进口量超过3 100亿kg，进口煤炭2 910亿kg。所以，生物质利用技术受到了国家的高度重视，国家发展和改革委员会在关于“‘十二五’生物质致密成型燃料发展规划”中提出，到 2020年，使秸秆致密燃料成为普遍使用的一种优质燃料[1]，每年消耗致密燃料500亿kg，代替 300亿kg煤，我国拥有丰富的秸秆等生物质，充分利用可代替化石燃料，实现可再生能源利用，保护环境，防止雾霾。但是，秸秆等生物质燃料存在自然堆积密度低、杂乱、松散、收集困难、储运费用过高等问题[2]，生物质致密成型技术是解决这一问题的关键，生物质平模成型机是生物质成型的重要设备[3]，而模具则是成型机核心部件，它决定了产品质量、成型效率以及生产成本，本研究对不同锥度的模具结构进行静力分析，选出最佳锥度，并对成型过程进行非线性静力学分析，观察平模成型过程中应力、应变变化规律。
1 生物质成型机工作原理
生物质平模致密成型机由储料室、直压辊-压辊架系统、活动模具、平模盘、主传动轴、减速器和动力系统等组成。动力通过带轮传递给减速器，通过减速器变向后带动主传动轴转动，进而带动压辊架旋转，压辊架上安装2个对称直压辊。在加工过程中，生物质原料充满压辊与平模盘的间隙，直压辊在生物质原料对其摩擦力作用下自转，并实现原料的平铺；在直压辊将生物质原料压入到活动模具中，完成致密成型加工[4]。据研究，成型压力在40 MPa以上，颗粒燃料的密度可达1 000 kg/m3。
直压辊在旋转过程中把秸秆等生物质压入模具，原料与模具之间产生摩擦力以及模具对原料的压缩力，直压辊在平模无孔处也进行压缩和摩擦，不必要的磨损和能耗浪费缩短了模具的使用寿命。针对这些缺点，通过对不同锥度的模具进行受力分析，并对成型过程进行模拟仿真，选出最优的锥度模具，提高它的使用寿命、降低能耗、提高生产率和产品质量（图1、图2）。
2 成型机模具分析及仿真结果
成型机模具是挤压成型过程中的关键部件，在工作过程中，套筒承受着压辊对生物质的压力，因此对成型机模具进行应力分析可得到模具的变形和受力情况，结果如图3所示。
2.1 受力分析
能够完成生物质成型过程需要满足：
2.2 有限元分析
（1）在SolidWorks三维软件中建立入口锥度分别为30°、45°、60°的活动模具，如图4所示，然后导入到ANSYS Workbench模块中对其进行节点位移、应力以及应变分析。（2）网格划分以及施加约束和载荷。活动模具材料选定为45钢，其性能参数为：弹性模量E=210 GPa、密度ρ=7.8 g/cm3、泊松比 μ=0.29。划分网格时设定划分网格单元大小为5 mm，总共生成节点数14 421个，单元数7 934个。（3）求解分析。本研究对不同入口锥度活动模具的节点位移以及活动模具应力变化云图进行分析比较，其求解结果如图5至图10所示。
由节点位移云图可知，随着模具入口锥度增加，节点位移不断增大，沿中心轴线自上而下逐渐增大。3种不同入口锥度对活动模具节点位移影响较大，即当入口锥度为30°时，活动模具节点最大位移为0.260 29 mm；当入口锥度为45°时，模具节点最大位移为0.278 72 mm；当入口锥度为60°时，活动模具节点最大位移为0.333 56 mm，3种不同入口锥度对活动模具节点位移的影响从大到小依次为60°>45°>30°。由应力分布云图可知，随着入口锥度增加，活动模具所受最大应力不断增大，沿中心轴线由下至上逐渐增大，且在模具上端圆台端面处所受应力最大。当入口锥度为30°时，模具所受最大应力为215.7 MPa；当入口锥度为45°时，模具所受最大应力238.44 MPa；当入口锥度为60°时，模具所受最大应力为289.52 MPa。当活动模具入口锥度为30°时，节点位移以及最大应力最小，此时其结构最优。
3 致密成型过程有限元分析
生物质在平模成型机模具中被挤压过程中，生物质和活动模具之间的接触属于刚体-柔体面-面的接触，这是高度非线性的，为了高效的计算过程和准确的计算结果，须要建立合理的有限元模型。线性的有限元法进行非线性的问题数值模擬计算中最有效的方法之一，在挤压成型过程中，非线性接触包括几何非线性、材料非线性和边界非线性等，非线性问题正常是用一系列带校正系数的线性方法来近似求解，常把载荷分解成一系列的载荷增量，然后在多个载荷步内或者是1个载荷步中多个子步上施加载荷增量。
3.1 建立模型
生物质致密成型过程是非线性的，属于接触问题分析，接触类型为摩擦，通过Solidworks建立三维模型，模具的锥度为30°，为了便于研究问题、简化模型，选择模具和生物质的1/2作为研究对象，导入到ANSYS Workbench中[5-6]。
3.2 设置材料属性建立接触对
生物质原料与活动模具之间的接触为柔性—刚性面接触，将活动模具表面定义为目标面，秸秆原料表面定义为接触面，接触对摩擦系数为0.19。确定材料参数，选用玉米秸秆为研究对象[7-8]，玉米秸秆应力和应变的表达式为：
关键词：生物质；模具；锥度；应力；有限元分析
中图分类号： TK64 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0365-04
当今世界上的化石能源石油、煤炭等储量越来越少，而我国经济发展越来越快，对能源的需求则越来越大，2014年中国原油进口量超过3 100亿kg，进口煤炭2 910亿kg。所以，生物质利用技术受到了国家的高度重视，国家发展和改革委员会在关于“‘十二五’生物质致密成型燃料发展规划”中提出，到 2020年，使秸秆致密燃料成为普遍使用的一种优质燃料[1]，每年消耗致密燃料500亿kg，代替 300亿kg煤，我国拥有丰富的秸秆等生物质，充分利用可代替化石燃料，实现可再生能源利用，保护环境，防止雾霾。但是，秸秆等生物质燃料存在自然堆积密度低、杂乱、松散、收集困难、储运费用过高等问题[2]，生物质致密成型技术是解决这一问题的关键，生物质平模成型机是生物质成型的重要设备[3]，而模具则是成型机核心部件，它决定了产品质量、成型效率以及生产成本，本研究对不同锥度的模具结构进行静力分析，选出最佳锥度，并对成型过程进行非线性静力学分析，观察平模成型过程中应力、应变变化规律。
1 生物质成型机工作原理
生物质平模致密成型机由储料室、直压辊-压辊架系统、活动模具、平模盘、主传动轴、减速器和动力系统等组成。动力通过带轮传递给减速器，通过减速器变向后带动主传动轴转动，进而带动压辊架旋转，压辊架上安装2个对称直压辊。在加工过程中，生物质原料充满压辊与平模盘的间隙，直压辊在生物质原料对其摩擦力作用下自转，并实现原料的平铺；在直压辊将生物质原料压入到活动模具中，完成致密成型加工[4]。据研究，成型压力在40 MPa以上，颗粒燃料的密度可达1 000 kg/m3。
直压辊在旋转过程中把秸秆等生物质压入模具，原料与模具之间产生摩擦力以及模具对原料的压缩力，直压辊在平模无孔处也进行压缩和摩擦，不必要的磨损和能耗浪费缩短了模具的使用寿命。针对这些缺点，通过对不同锥度的模具进行受力分析，并对成型过程进行模拟仿真，选出最优的锥度模具，提高它的使用寿命、降低能耗、提高生产率和产品质量（图1、图2）。
2 成型机模具分析及仿真结果
成型机模具是挤压成型过程中的关键部件，在工作过程中，套筒承受着压辊对生物质的压力，因此对成型机模具进行应力分析可得到模具的变形和受力情况，结果如图3所示。
2.1 受力分析
能够完成生物质成型过程需要满足：
2.2 有限元分析
（1）在SolidWorks三维软件中建立入口锥度分别为30°、45°、60°的活动模具，如图4所示，然后导入到ANSYS Workbench模块中对其进行节点位移、应力以及应变分析。（2）网格划分以及施加约束和载荷。活动模具材料选定为45钢，其性能参数为：弹性模量E=210 GPa、密度ρ=7.8 g/cm3、泊松比 μ=0.29。划分网格时设定划分网格单元大小为5 mm，总共生成节点数14 421个，单元数7 934个。（3）求解分析。本研究对不同入口锥度活动模具的节点位移以及活动模具应力变化云图进行分析比较，其求解结果如图5至图10所示。
由节点位移云图可知，随着模具入口锥度增加，节点位移不断增大，沿中心轴线自上而下逐渐增大。3种不同入口锥度对活动模具节点位移影响较大，即当入口锥度为30°时，活动模具节点最大位移为0.260 29 mm；当入口锥度为45°时，模具节点最大位移为0.278 72 mm；当入口锥度为60°时，活动模具节点最大位移为0.333 56 mm，3种不同入口锥度对活动模具节点位移的影响从大到小依次为60°>45°>30°。由应力分布云图可知，随着入口锥度增加，活动模具所受最大应力不断增大，沿中心轴线由下至上逐渐增大，且在模具上端圆台端面处所受应力最大。当入口锥度为30°时，模具所受最大应力为215.7 MPa；当入口锥度为45°时，模具所受最大应力238.44 MPa；当入口锥度为60°时，模具所受最大应力为289.52 MPa。当活动模具入口锥度为30°时，节点位移以及最大应力最小，此时其结构最优。
3 致密成型过程有限元分析
生物质在平模成型机模具中被挤压过程中，生物质和活动模具之间的接触属于刚体-柔体面-面的接触，这是高度非线性的，为了高效的计算过程和准确的计算结果，须要建立合理的有限元模型。线性的有限元法进行非线性的问题数值模擬计算中最有效的方法之一，在挤压成型过程中，非线性接触包括几何非线性、材料非线性和边界非线性等，非线性问题正常是用一系列带校正系数的线性方法来近似求解，常把载荷分解成一系列的载荷增量，然后在多个载荷步内或者是1个载荷步中多个子步上施加载荷增量。
3.1 建立模型
生物质致密成型过程是非线性的，属于接触问题分析，接触类型为摩擦，通过Solidworks建立三维模型，模具的锥度为30°，为了便于研究问题、简化模型，选择模具和生物质的1/2作为研究对象，导入到ANSYS Workbench中[5-6]。
3.2 设置材料属性建立接触对
生物质原料与活动模具之间的接触为柔性—刚性面接触，将活动模具表面定义为目标面，秸秆原料表面定义为接触面，接触对摩擦系数为0.19。确定材料参数，选用玉米秸秆为研究对象[7-8]，玉米秸秆应力和应变的表达式为：