PDF《压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析》

1 试验材料与方法 为了确定能够合理描述玉米秸秆粉粒体压缩 成型过程的本构方程,本文以文献[16-17]中研究的 玉米秸秆粉粒体的屈服条件及其塑性基本方程为 农业工程学报

2013 年200 依据,通过单轴压缩试验测定玉米秸秆粉粒体的载 荷位移曲线,并采用数学回归方法拟合本构方程的 表达式. 试验材料选用玉米秸秆,粒度为 0.4~1.0 mm, 含水率 12%,充填量

80 g.由于玉米秸秆粉粒体是 散体,为了研究其单轴压缩特性,首先在筒径为 Φ80 mm 的钢制密闭容器中常温(25℃左右)压制 到预压压力

5 kN.然后,从密闭容器中将成型压块 取出, 放置在电子万能试验机 (型号: RGM

100 kN, 深圳瑞格尔仪器有限公司)钢制的上、下压头间进 行单轴压缩试验,压缩到变形量约 30%左右,同时 测量轴向压力、轴向应变和相对密度(相对密度的 定义为多孔体材料的密度与达到致密时的密度之 比[19] ).玉米秸秆粉粒体压块单轴压缩试验如图

1 所示. 1.主机 2.压块 3.控制器 4.下压头 5.上压头 1. Principal machine 2. Briquetting 3. Controller 4. Down die 5. Up die 图1玉米秸秆粉粒体压块单轴压缩试验装置 Fig.1 Experimental instrument of uni-axial compaction for cornstalk powder 为了便于与一维时的解析解和数值解进行比 较,引入无量纲载荷 p 与位移u ,表达式如下

0 0 S P p A u u l σ ? = ? ? ? ? = ? ? (1) 式中, P 为轴向压力, kN;

σs 为致密时的应力, MPa;

A0 为预压成型压块面积,cm2 ;

u 为轴向位移,mm;

l0 为预压成型压块初始高度,mm.

2 结果与分析 2.1 单轴压缩试验结果 根据玉米秸秆粉粒体压块单轴压缩试验,得到 试验结果如表

1 所示.从表

1 可以看出,随着轴向 压力的增大,轴向应变和相对密度都相应的增大, 但压缩后期的增大幅度小于压缩开始阶段. 表1玉米秸秆粉粒体压块单轴压缩试验结果 Table

1 Experimental results of uni-axial compaction for cornstalk powder 轴向压力 Axial pressure /kN 轴向应变 Axial strains/% 相对密度 Relative density 9.07 3.5 0.337 12.8 8.7 0.356 14.6 10.7 0.364 18.4 14.5 0.380 20.7 16.0 0.387 26.7 20.1 0.407 32.7 23.3 0.424 35.6 25.5 0.428 38.4 27.0 0.445 2.2 本构方程 玉米秸秆粉粒体塑性压缩时应力应变满足下 列关系[18] b eq eq S c k ε σ σ ? ? = + ? ? ? ? (2) 式中, eq σ 是等效应力,MPa;

eq ε 是等效应变,无 量纲;

σs 是材料的屈服应力(即致密时的应力), MPa;

k、b、c 是由粉体压缩试验确定的系数. 在大变形弹塑性有限元主要研究方法中,欧拉 应力σz和阿耳曼西应变ez是以现时坐标为基准定义 的,一维时的表达式为[20]

2 0

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2 z z P A l e l σ ? = ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? (3) 式中,A 为构件变形后面积,cm2 ,l 为构件变形后 长度,mm. 克希荷夫应力 Sz(MPa)和格林应变 Ez 是定义 在初时位形上的,一维时的表达式为[20]

0 0

2 0

1 ( )

1 2 z z l P S A l l E l ? = ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? (4) 式中,A0 为构件变形前面积,cm2 ,l0 为构件变形 前长度,mm. 2.3 大变形有限元模型 2.3.1 欧拉描述有限变形的应变表达式 应用欧拉描述定义轴对称情况下的应变时,阿 尔曼西应变表达式可表示为[27-28]

0 1

2 e e B u A G u ε = ? (5) 第20 期 陶嗣巍等:压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析

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