PDF《压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析》

第29 卷第20 期农业工程学报Vol.

29 No.20

2013 年10 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct.

2013 199 压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析 陶嗣巍,刘显双,赵东(北京林业大学工学院,北京 100083) 摘要:为玉米秸秆模压托盘成型模具和相关设备的设计和工艺提供基础的力学数据,需要探明玉米秸秆粉粒体 模压过程的成型规律,在分析模压成型原理的基础上,对玉米秸秆粉粒体压块进行了单轴压缩试验,探讨了模压 过程中玉米秸秆粉粒体的弹塑性特征.采用有限变形理论,研究并推导了欧拉描述的轴对称有限元模型,编制了 大变形有限元分析程序,计算得到了玉米秸秆粉粒体圆柱形试件在压缩率 30%时的变形图、等效应变图,以及载 荷位移曲线,探讨分析了玉米秸秆粉粒体压缩成型过程的成型特征,并与试验值和小变形计算结果进行了配对 t 检验和回归分析.结果表明:1)有限变形数值解与试验结果最接近.2)采用大变形有限元模型进行计算时,加 载步长为 0.01,而小变形为 0.0001;

有限变形解和小变形增量解与试验曲线的决定系数分别为 R2 =0.9855 和R2 =0.9398,说明利用大变形进行计算,可以用较大的加载步长,而且得到的结果精度较高.该文研究结果对于深 入研究玉米秸秆粉粒体的模压工艺,实现工艺和装备的优化设计提供了技术基础数据. 关键词:秸秆,有限元方法,变形,玉米秸秆粉粒体,压缩成型 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.20.026 中图分类号:TS01 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-20-0199-07 陶嗣巍,刘显双,赵东. 压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析[J]. 农业工程学报,2013,29(20):199 -205. Tao Siwei, Liu Xianshuang, Zhao Dong. Finite element analysis on large deformation of compressed cornstalk powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(20): 199-205. (in Chinese with English abstract)

0 引言由于木制托盘要消耗大量木材资源,采用新型 材料代替传统的木材作为托盘主要材料将成为必 然.以农作物秸秆为原料,经粉碎后在模具中压缩 成型,可以生产秸秆模压托盘.已有研究表明[1-4] , 秸秆粉粒体的压缩成型特性会影响成型设备的设 计参数以及成型体的压缩密度、尺寸稳定性等.目前,国内外学者在秸秆粉粒体压缩成型过程的试验、 理论以及数值分析方面进行了相关研究工作[5-18] ,主 要是应用流变学理论, 基于 Maxwell 模型、 Burgers 模型等对秸秆粉粒体的压缩成型过程进行分析研 究,并建立了相应的流变学模型.但是,我们知道 秸秆粉粒体的模压成型过程一般包括加压、保压和 卸压

3 个阶段,其中加压阶段以弹塑性变形为主, 保压及卸压阶段主要表现的是流变学性质[1-2] , 而且 收稿日期:2013-04-16 修订日期:2013-09-21 基金项目:国家星火计划(2011GA1050004) 作者简介:陶嗣巍(1985-) ,男(蒙古族) ,内蒙古人,博士生,主要 从事工程CAE 的研究.北京北京林业大学工学院100083 . Email: [email protected] 通信作者:赵东(1968-) ,男,教授,博士生导师,主要从事农 林剩余物综合利用和机械设计方面的研究.北京 北京林业大学 100083.Email: [email protected] 加压阶段塑性变形较大,其变形与加载历程有关, 这是流变学不能解决的问题. 文献[16]和[17]基于弹塑性小变形增量理论, 对 玉米秸秆粉粒体的塑性压缩成型进行了研究,但是 秸秆粉粒体的模压成型过程实际上是既包含材料 非线性又包含几何非线性的双重非线性问题.要解 决这一问题,就需要应用弹塑性有限变形理论来构 建反映秸秆粉粒体力学特性的本构方程,弄清压缩 过程的大变形规律,这对秸秆粉粒体压缩成型具有 一定的理论指导. 因此,本文根据玉米秸秆粉粒体压缩成型的弹 塑性特性,采用大变形理论研究压缩变形时秸秆粉 粒体的本构方程,并借用小变形弹塑性全量理论观 点,推导轴对称有限元列式,探讨玉米秸秆粉粒体 压缩成型的本构方程及相应的成型参数,分析玉米 秸秆粉粒体模压成型规律,该研究对于优化模压模 具的结构和工艺,降低作业功耗、提高成品率等, 具有理论指导意义.