引言
隨著常規能源的不斷消耗和環境保護的日益加強，生物質能源的開發與利用越來越受到人們的重視。目前生產應用較多的生物質成型技術有造粒成型、柱狀成型，而蜂窩狀生物質成型技術正在逐步發展，它能夠改善農村和部分城鎮的用能結構，其利用的廣泛性遠大于顆粒狀生物質燃料。這種成型燃料與家用生鐵蜂窩煤爐配套使用，易于推廣。蜂窩狀生物質成型燃料研究的關鍵在于原料的配方和
木屑顆粒機成型機理的研究。本文通過計算機有限元分析，模擬蜂窩狀生物質燃料的成型過程，探討成型機理，從幾何非線性彈塑性理論出發，建立蜂窩狀生物質燃料成型的力學模型，進行有限元分析。
1、力學模型的建立
1.1模型類型的確立
在生物質壓縮過程中，由于受熱和壓力的作用，生物質顆粒緊密地粘結在一起，故可將其看成連續體。生物質顆粒成型物對加載和卸載響應各不相同。在加壓過程中，有限元發生移動，以多種方式增強整體的剛度，故將生物質壓縮成型過程看成幾何非線性的彈塑性模型。
1.2幾何模型的確立
蜂窩狀生物質成型燃料按照市場上普通蜂窩煤的標準進行外觀設計。其外形為圓柱形，直徑為100 mm，高度為70 mm，均勻分布5個直徑為14 mm的通孔。在計算機模擬過程中，考慮到模型的對稱性，采用了對稱簡化，取整體的1/4為模型，以減少運算的復雜程度。
2、有限元分析
2.1前處理
2 .1.1單元的選取
擠壓成型過程主要考察材料的塑性、蠕變和應力強化等方面的特征，同時考慮由于熱膨脹產生的應力。在單元選取時選取有空間自由度的三維實體結構模型，采用Solid95單元。該單元能夠容許不規則形狀，并且不會降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型，對偏移形狀兼容性好。
2.1.2網格劃分
采取自適應網格劃分方法，該方法可自動估計網格劃分誤差并細化網格。
2.2求解過程
擠壓過程以木屑為模擬對象。壓縮過程涉及到空間位移、溫度和壓力等載荷條件。側面和下表面采用全約束，四分之一模型截斷面采用對稱約束，對上表面各節點施加壓力載荷。
本例采用幾何非線性模式，在求解過程中可能會發生不收斂的問題。為此，采取以下設置來避免不收斂。打開自動時間步長，對時間步長設置一個最大限度( DELTIM)，確保所有重要的模態和特性將被精確地包含進去；使用Newton - Raphson選項（帶校正的線性近似分析方法）和自適應下降因子(NROPT)，在幾乎沒有載荷重新分配的情況下，通過關閉這個特性可以獲得更快的收斂性；使用線性搜索，線性搜素方法通常導致收斂。
2.3結果后處理
2.3.1靜水壓應力
擠壓過程中，上表面各節點受到壓力，迫使整個成型塊有微小位移。以生物質顆粒為研究對象，通過彼此間力的傳遞，產生的靜水壓應力如圖1所示，其中，t表示壓縮過程中某一時刻，表示經歷一個壓縮周期所需的時間。
由圖1可知，隨著壓力的增大，靜水壓應力隨之增大。孔附近靜水壓應力增加很迅速。但下半部分靜水壓應力變化較緩慢，這與壓縮方式有關，這一現象可以用赫茲理論來解釋。在物料擠壓中，以上表面為研究對象，接觸面上只有分布的垂直壓力，符合赫茲理論的假設。根據赫茲理論，接觸區附近的變形受周圍介質的強烈約束，各點處于三向應力狀態，且接觸應力的分布呈高度局部性，且隨與接觸面距離的增加而迅速衰減。如果采用多次填料壓縮的方式，即將這一過程分成多個過程的結合，那么對于每個子過程而言，壓縮物的體積大大減少，各部分接觸應力的差異隨之減少；對于整體而言，各部分靜水壓應力的差異減少了，物料的塑性形變趨于一致，增強了整體的擠壓強度，壓實強度高，可提高成型物的耐久性。
三門峽富通新能源生產銷售的
顆粒機、木屑顆粒機主要壓制生物質顆粒燃料。
2.3.2等效應變
在孔附近的塑性應變較大。在壓縮過程中，由于沖針的摩擦，使成型物出現剪切變形，越靠近孔的位置，剪切角越大。剪切力是造成成型物裂紋的原因。成型物由于剪切應力的作用出現彈性膨脹和彈性滯后現象。彈性滯后和彈性膨脹迫使成型物在縱向開裂。在生產中可采取緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等手段來解決這一問題。緩慢壓縮可使成型物在壓縮過程中產生的剪切應力得到很好釋放，避免剪切應力過于集中。從能量角度考慮，緩慢壓縮過程中各瞬時狀態可近似看成平衡狀態，某一時刻產生的彈性膨脹可及時地傳遞到壓縮接觸面，通過壓縮機提供的動力加以克服，使成型塊內部的能量得以釋放，一定程度上避免了成型物的皸裂。提高物料的軟化程度，可通過適當提高壓縮過程中物料溫度的方式實現，降低物料表面結構的堅硬程度，使之表面張力減小，緩解壓縮過程中彈性膨脹和彈性滯后產生的皸裂。根據分析小變形和非彈性材料問題時常用的假設應變方法，以及多孔材料的塑性理論可知，多孔材料的等效應變取決于應變偏量和應變球張量兩部分，即塑性變形和體積應變。在此過程中，應變偏量表現得很突出，極大地超過了應變球張量，即表現為塑性變形。
2.3.3載荷與形變
擠壓開始時，壓縮物位移變化較小。壓縮開始時，顆粒間依靠表面張力抵抗外加載荷，造成顆粒位移不大。當施加作用力達到一定值時，顆粒外形發生變化，出現塑性變形，表現出流動性，顆粒位移變化快。壓力繼續增加時，位移不再增加，此時整體趨于穩定。由于壓力的作用，顆粒之間的空隙被填滿，產生塑性形變，使原本不規則的形狀趨向規則化，如圖3所示，其中p表示在壓縮過程中作用于顆粒上的壓力。
進一步增大壓力，顆粒之間的空隙越來越小，直至不再發生塑性形變。但是由于壓力的緩慢增加，顆粒受到的靜壓力有一個從不平衡狀態到平衡狀態的過程，由于這個過程的存在，不平衡的壓力會產生一個轉動扭矩，迫使顆粒發生一定角度的轉動，這就使得顆粒進一步被壓實，此時在整體外觀上沒有形變，只是內部壓實過程，直到顆粒壓實到一定程度，內部分子間作用力與外部作用力達到平衡，整個成型體就不再發生變化，趨于穩定。
3、結論
(1)壓縮過程中采用分步填料壓縮，可增強蜂窩狀生物質燃料的耐久性。
(2)通過對壓縮過程中的靜水壓應力和等效應變的分析發現，成型物在孔附近易出現裂紋。在實際生產中可采用緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等方法加以解決。
