0、引言
秸秆类生物质资源非常丰富，但作为一种能源，存在松散、形态各异、能量密度小、运输不便、储存和使用占用空间大的缺点，这是制约现有生物质规模化利用的“瓶颈”，松散生物质属于可压缩材料，致密化即固化成型是提高松散生物质制品性能的关键．目前国内外生物质固化成型方法虽有多种，但其成型基础为：生物质材料中含有“木质素”，在成型过程中“木质素”在一定的温度和压力下产生“软化”、“熔融”，然后施加一定压力将松散生物质压制成型，对于热压成型的生物质成型工艺存在着：高温加热与压制需要较高的压力，能耗大，并加剧机械磨损、螺杆挤压头寿命短等问题．对不同生物质在不同压力、不同温度条件下的成型机理、成型密度的研究，涉及因素较多、条件复杂，为从机理、功能、技术和系统配套上有效解决上述生物质能开发过程中存在的问题和技术难点，利用有限元法对生物质成型过程进行模拟，以研究生物质成型的机理和揭示在成形过程中的应力应变及其历史演化规律，用于指导生产实践，现在被大多数人采用的是环模式的
颗粒机、
秸秆压块机等生物质成型设备。
生物质原料在成型前要粉碎成粉状，其应属于非连续介质，研究方法应为非连续介质力学，即从粉末的微观特性出发，把粉末体视为颗粒的集合体，建立单个颗粒变形行为与粉末集合体宏观变形行为间的联系，这时其整体变形符合质量不变定律，颗粒变形遵循体积不变原则．但由于非连续介质力学的基本理论还很不完善，使其在工程上的应用受到一定的限制，为研究问题的方便，将材料视为“可压缩的连续体”，从而可以用连续体塑性力学的理论来研究可压缩材料的变形行为，此外，由于粉末体与土体的性质有重要的相似性，即屈服过程伴随有体积变化．试图从土塑性力学理论出发，寻找建立可压缩材料变形过程的力学模型。
1、力学模型的建立
应用大型有限元软件ANSYS模拟螺旋式压缩成型过程进行研究，按物料的不同其受力情况可分为3段，即输送段、挤压段、保型段，选取成型的主要阶段挤压段作为研究对象．
1.1模型类型的确立
生物质在输送段，由于加热和螺杆的挤压作用，松散的物料到达挤压阶段近乎粘连在一起，从宏观上可视为连续介质，根据其变化情况可视作弹塑性模型。
1.2几何模型的确立
在建立几何模型时，对实际物体的结构进行简化，将衬套和其外体合二为一，只建1个模型，且只取挤压段．被挤压物料在加工过程中是连续的，取其中1段进行研究，其大小为0.018 m×0.025 m.
1.3材料参数
以木屑作为要模拟的对象．整个挤压模型有挤压模和木屑组成，但考虑到模型中存在接触副，在运动当中会有摩擦产生，因此，建立3种材料模型，相应的材料编号为1，2，3．因为研究的主要目的是模拟挤压过程中的应力场，分析在挤压过程中木屑的受力情况，探讨其变形趋势．因此，分析中的自由度主要包括平面位移X，y．表1给出了各材料参数．
1.4网格划分
1.4.1单元的选取
压缩成型过程中主要涉及到结构分析问题，并考虑温度导致的膨胀而引起的热应力，在考虑选择单元时只选取有空间自由度的单元，拟采用ANSYS中的plane82．plane82是8节点的高阶二维平面单元，它有较高的模拟精度、好的协调位移形状，非常适合模拟弯曲的边界，这个单元有塑性、蠕变、刚度硬化、大应变能力。
1.4.2网格划分方法
在挤压模的网格划分中，为了能对节点和单元的分布进行有效的控制，根据本例的实际情况对研究对象分别实施计算时易于收敛的映射网格划分，由于木屑在挤压过程中有塑性变形发生，其划分的网格需要非常细密，其单元尺寸采用0.0001 m;挤压模的网格较粗糙，其单元尺寸选用0.005 m。
1.5接触副单元的建立
由于成型挤压过程中挤压模和被挤压件之间存在挤压、滑动摩擦现象，进行有限元分析时必须建立接触副(Contact Pair)，用以计算2令物体之间的这种运动．接触分析是非常复杂的非线性问题，需要大量的计算资源．
1.5.1单元的选取
ANSYS支持3种接触方式：点一点、点一面、面一面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题，对于刚体一柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Targe170来模拟2-D和3-D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174来模拟．基于本文的实际情况，采用面一面接触单元，目标单元169和接触单元171。
1.5.2接触分析的环境设置
在挤压成型过程中，有2个最重要的行为：一是塑性变形，另一个就是摩擦，涉及若干面之间的接触行为，收敛性很难．因为存在摩擦，不可能应用约束或自由度耦合来代替接触，必须给接触问题建模，首先，挤压过程中的摩擦接触是面一面接触，就挤压模和被挤压的材料来说，两者之间的弹性模量相差很大，应视作刚一柔体的接触．接触单元的建立如前所述，接触单元可以和面上的低阶和高阶单元相配合．其次，应用面一面接触单元模拟，可以在网格划分后利用接触向导，本例中，采用常因数摩擦法，按照库仑定律计算摩擦力．选择不对称来计算摩擦问题，取KEYOPT(6)=1。
2、载荷、约束、边界条件
挤压模的工作环境涉及空间、温度、力等载荷条件因此其中应用的载荷、约束、边界条件等包括位移( Displacement)、温度（Temperature）、压力（ness）等，挤压模和机器本体相连，其外表面为固定约束，另截取的两端面原和机器的其它部件固定相连，同样，这2个表面也采用固定约束．由于结构采用对称形式，木屑的左边采用对称约束．在木屑的顶部施加压力和位移作为载荷。
由于本例是非线性问题，涉及的内容非常复杂，为避免计算过程中出现不收敛的情况，在求解前，作些有利于收敛的规定。
首先，在Sol’n control中设定Large displacementstatic；然后，Analysis option中设Luge deform effect为On，并且在Newton-Raphson -Option中选Full N-R un-symm，使用Full N-R unsymm是为了处理滑动过程中的法向和接触刚度，但它将花费更多的时间，再将线性搜索打开，线性搜索对计算稳定有利。
3、挤压过程中材料流动变化图
图2～图4是被挤压件在挤压过程中不同时刻的变形情况，形象的描述了被挤压件成型过程和形状（t．表示挤压过程的相对时间）．图2描述成型初始阶段，弧顶开始出现；图3—图4可以看到挤压件的成长过程。
图5—图6是被挤压件挤压过程最后时刻的变形放大图，分别为顶端和尾端的局部放大图，从图中可更清楚的了解网格的变形情况，网格的变形反映了材料受挤压时的流动情况．横向坐标线在出口处发生了较大的弯曲，且中间部分弯曲更剧烈，这是由于凹模与被挤压件表面之间存在着摩擦力和凹模形状的变化，致使被挤压件在流动时外层滞后于中层的缘故．随着被挤压件继续流出，中间部分的变形逐浙趋平，两侧的变形恢复较小，最后，被挤压件的状态趋于稳定，
纵向坐标也发生了剧烈变化，在模具头部靠近模具的纵向坐标向外弯曲，这是由于心部的毛胚流动快，而两侧的毛胚和模具由于接触产生摩擦致使毛胚流动较慢所造成，这时表面受拉应力，引起顶部凹陷，但随着挤压的深入，挤压力越来越大，两侧纵向坐标则趋于向里弯曲，并且其两者之间的距离越来越小，至出口处变形最大。
正方形网格经过出口处以后，变成了平行四边形，这说明除发生拉伸变形以外，还有剪切变形．越接近外层剪切角越大，这是由于外层被加工件受到摩擦阻力的影响较大以及模具形状的影响，使得内外层被挤压件流动存在较大的差异，开始挤出的端部剪切角较小，以后逐渐增大，这是由于开始挤压时，受摩擦影响较小的缘故．当进入稳定变形以后，相应处的剪切角也基本保持不变．这种剪切应力将会造成制品的横向裂纹，而且，制品在挤出后，因剪切应力的影响沿直径方向会产生弹性膨胀和弹性滞后现象，弹性滞后和弹性膨胀往往导致制品沿纵向开裂．因此，在实际生产中，可降低挤压速度和适当提高温度来解决这一问题。
根据多孔材料的塑性理论知，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．由前面分析可知，在挤压时，在靠近挤压模一侧的轨迹点属于刚性区，材料主要是以压实致密为主，多孔材料的等效应变主要取决于应变球张量，而相对密度愈低，体积应变愈大，因此在这一阶段等效应变随初始相对密度的升高而减少，且体积应变的数值较小，相对应等效应变的数值也较小．随着挤压过程的继续，材料进入挤压变形区或已在挤压变形区内的材料，以塑性变形为主，应变偏量在数值上大大超过体积应变，这时的等效应变主要取决于应变偏量．相对密度愈高，其宏观塑性变形越大．根据多孔材料的应变关系，流动应力与等效应变具有相同的变化规律。
4、矢量位移（第150步）
从矢量位移图图7可看出木屑的中间部位和前端的流动明显较快，而边部较慢．由于中间流动快而相对于边部形成拉应力，相反，边部流动较慢且和挤压模接触，则在边部形成压应力．对于木屑而言，由于拉、压应力的存在，在其内部形成附加应力，如果两者的流速相差很大，则附加应力随之增加，这对于成型质量有很大影响，很大的附加应力会使成型产品产生裂纹，甚至破碎。
5、载荷和位移的关系
图8反映了变形体外表面一点载荷的变化过程，载荷在挤压初期增加剧烈，随后逐渐增加，到最后阶段（即将要离开模具时）达到最大值，随之急剧下降，逐渐趋于稳定。
6、等效塑性应变图
图9反映了挤压时变形体的塑性变化，从图可以看到变形体在离开模具时，有较大塑性变化。
7、结论
根据生物质固化成型的主要特点，建立了数值模拟的力学模型，在建立力学模型中，主要考虑以下几个方面：
(1)网格划分采用映射网格，映射网格划分的单元形状一致，计算时易收敛。
(2)接触单元采用面一面接触单元，面面接触支持有大滑动和摩擦的大变形，计算精度高。
(3)求解设定时，主要考虑非线性分析的某些特性，将线性搜索打开，计算时选用Full N-R unsymm求解器。
由模拟结果揭示了挤压过程中生物质的流变特性，在流动过程中，由于受到模具壁摩擦力的影响，生物质受到剪应力的作用，而剪应力是造成制品出现裂纹的原因；挤压过程中的压应力和等效应变，使生物质内部中的间隙被填充且生物质发生了变形，从而使生物质被压缩．经过挤压段后，材料中压应力为正，这表明材料不再受到挤压，这是由于弹性滞后作用，材料变形出现反弹；最后分析了载荷和位移的关系。
