引言
随着常规能源的不断消耗和环境保护的日益加强，生物质能源的开发与利用越来越受到人们的重视。目前生产应用较多的生物质成型技术有造粒成型、柱状成型，而蜂窝状生物质成型技术正在逐步发展，它能够改善农村和部分城镇的用能结构，其利用的广泛性远大于颗粒状生物质燃料。这种成型燃料与家用生铁蜂窝煤炉配套使用，易于推广。蜂窝状生物质成型燃料研究的关键在于原料的配方和
木屑颗粒机成型机理的研究。本文通过计算机有限元分析，模拟蜂窝状生物质燃料的成型过程，探讨成型机理，从几何非线性弹塑性理论出发，建立蜂窝状生物质燃料成型的力学模型，进行有限元分析。
1、力学模型的建立
1.1模型类型的确立
在生物质压缩过程中，由于受热和压力的作用，生物质颗粒紧密地粘结在一起，故可将其看成连续体。生物质颗粒成型物对加载和卸载响应各不相同。在加压过程中，有限元发生移动，以多种方式增强整体的刚度，故将生物质压缩成型过程看成几何非线性的弹塑性模型。
1.2几何模型的确立
蜂窝状生物质成型燃料按照市场上普通蜂窝煤的标准进行外观设计。其外形为圆柱形，直径为100 mm，高度为70 mm，均匀分布5个直径为14 mm的通孔。在计算机模拟过程中，考虑到模型的对称性，采用了对称简化，取整体的1/4为模型，以减少运算的复杂程度。
2、有限元分析
2.1前处理
2 .1.1单元的选取
挤压成型过程主要考察材料的塑性、蠕变和应力强化等方面的特征，同时考虑由于热膨胀产生的应力。在单元选取时选取有空间自由度的三维实体结构模型，采用Solid95单元。该单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型，对偏移形状兼容性好。
2.1.2网格划分
采取自适应网格划分方法，该方法可自动估计网格划分误差并细化网格。
2.2求解过程
挤压过程以木屑为模拟对象。压缩过程涉及到空间位移、温度和压力等载荷条件。侧面和下表面采用全约束，四分之一模型截断面采用对称约束，对上表面各节点施加压力载荷。
本例采用几何非线性模式，在求解过程中可能会发生不收敛的问题。为此，采取以下设置来避免不收敛。打开自动时间步长，对时间步长设置一个最大限度( DELTIM)，确保所有重要的模态和特性将被精确地包含进去；使用Newton - Raphson选项（带校正的线性近似分析方法）和自适应下降因子(NROPT)，在几乎没有载荷重新分配的情况下，通过关闭这个特性可以获得更快的收敛性；使用线性搜索，线性搜素方法通常导致收敛。
2.3结果后处理
2.3.1静水压应力
挤压过程中，上表面各节点受到压力，迫使整个成型块有微小位移。以生物质颗粒为研究对象，通过彼此间力的传递，产生的静水压应力如图1所示，其中，t表示压缩过程中某一时刻，表示经历一个压缩周期所需的时间。
由图1可知，随着压力的增大，静水压应力随之增大。孔附近静水压应力增加很迅速。但下半部分静水压应力变化较缓慢，这与压缩方式有关，这一现象可以用赫兹理论来解释。在物料挤压中，以上表面为研究对象，接触面上只有分布的垂直压力，符合赫兹理论的假设。根据赫兹理论，接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，且随与接触面距离的增加而迅速衰减。如果采用多次填料压缩的方式，即将这一过程分成多个过程的结合，那么对于每个子过程而言，压缩物的体积大大减少，各部分接触应力的差异随之减少；对于整体而言，各部分静水压应力的差异减少了，物料的塑性形变趋于一致，增强了整体的挤压强度，压实强度高，可提高成型物的耐久性。
三门峡富通新能源生产销售的
颗粒机、木屑颗粒机主要压制生物质颗粒燃料。
2.3.2等效应变
在孔附近的塑性应变较大。在压缩过程中，由于冲针的摩擦，使成型物出现剪切变形，越靠近孔的位置，剪切角越大。剪切力是造成成型物裂纹的原因。成型物由于剪切应力的作用出现弹性膨胀和弹性滞后现象。弹性滞后和弹性膨胀迫使成型物在纵向开裂。在生产中可采取缓慢压缩和提高物料的软化程度等手段来解决这一问题。缓慢压缩可使成型物在压缩过程中产生的剪切应力得到很好释放，避免剪切应力过于集中。从能量角度考虑，缓慢压缩过程中各瞬时状态可近似看成平衡状态，某一时刻产生的弹性膨胀可及时地传递到压缩接触面，通过压缩机提供的动力加以克服，使成型块内部的能量得以释放，一定程度上避免了成型物的皲裂。提高物料的软化程度，可通过适当提高压缩过程中物料温度的方式实现，降低物料表面结构的坚硬程度，使之表面张力减小，缓解压缩过程中弹性膨胀和弹性滞后产生的皲裂。根据分析小变形和非弹性材料问题时常用的假设应变方法，以及多孔材料的塑性理论可知，多孔材料的等效应变取决于应变偏量和应变球张量两部分，即塑性变形和体积应变。在此过程中，应变偏量表现得很突出，极大地超过了应变球张量，即表现为塑性变形。
2.3.3载荷与形变
挤压开始时，压缩物位移变化较小。压缩开始时，颗粒间依靠表面张力抵抗外加载荷，造成颗粒位移不大。当施加作用力达到一定值时，颗粒外形发生变化，出现塑性变形，表现出流动性，颗粒位移变化快。压力继续增加时，位移不再增加，此时整体趋于稳定。由于压力的作用，颗粒之间的空隙被填满，产生塑性形变，使原本不规则的形状趋向规则化，如图3所示，其中p表示在压缩过程中作用于颗粒上的压力。
进一步增大压力，颗粒之间的空隙越来越小，直至不再发生塑性形变。但是由于压力的缓慢增加，颗粒受到的静压力有一个从不平衡状态到平衡状态的过程，由于这个过程的存在，不平衡的压力会产生一个转动扭矩，迫使颗粒发生一定角度的转动，这就使得颗粒进一步被压实，此时在整体外观上没有形变，只是内部压实过程，直到颗粒压实到一定程度，内部分子间作用力与外部作用力达到平衡，整个成型体就不再发生变化，趋于稳定。
3、结论
(1)压缩过程中采用分步填料压缩，可增强蜂窝状生物质燃料的耐久性。
(2)通过对压缩过程中的静水压应力和等效应变的分析发现，成型物在孔附近易出现裂纹。在实际生产中可采用缓慢压缩和提高物料的软化程度等方法加以解决。
