PDF《秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建》

第31 卷第8期农业工程学报Vol.

31 No.8

2015 年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr.

2015 221 秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建 孙启新

1 ,陈书法

1 ,董玉平

2 (1. 淮海工学院机械工程学院,连云港 222005;

2. 山东大学高效洁净机械制造教育部重点试验室,济南 250061) 摘要:针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状,该文从生物质组成角度,特别是木质素特性出发探讨其成型机理. 秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量,温度的上升会造成木质素的软化,木质素的这一变化为纤维颗粒的团 聚提供了黏结力.温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响,是热黏塑变形过程.为研究生物质内部特性 对塑性成型过程的影响,运用内时理论,以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象,构建了秸秆类生物质压缩成型 内时本构方程.借助黏土流动理论,推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数,运用数值分析和试验得出本构方程的系 数.与试验数据相比较,基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程.结果显示,向秸秆中添 加20%的木质素,可有效提高其塑性流动性能,降低其在相同应变下的应力以及生产能耗;

当成型温度在 100~115℃之间,应变率在 1*102 ~1*103 s-1 之间,对于木质素质量分数分别为 29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和 34.3%的水稻秸 秆的固化成型性能最好. 关键词:生物质;

木质素;

秸秆;

热黏塑性;

内时理论;

本构模型 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.08.032 中图分类号:TK6;

TH122 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2015)-08-0221-06 孙启新,陈书法,董玉平. 秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建[J]. 农业工程学报,2015,31(8):221-226. Sun Qixin, Chen Shufa, Dong Yuping. Establishment of thermo viscoplastic constitutive model for straw biomass briquetting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 221-226. (in Chinese with English abstract)

0 引言生物质颗粒成型是解决其收集、运输和储藏这一难 题的关键技术之一[1-2] .目前生物质成型的主要方法有活 塞冲压式、螺旋挤压式、环模挤压式和平模碾压式,这 些方法各有自己的优点和缺点,得到了广泛的应用[3] . 关于生物质成型机理的研究也取得了很大的进展[4-5] . 霍丽丽等[6] 采用经典黏弹性理论和伯格斯松弛模型, 建立 了生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型,分别描述了 不同阶段的成型规律.并借助于试验确定了木屑、棉秆 和玉米秸秆等不同种类原料的力学模型参数. 陶嗣巍等[7] 在单轴压缩试验的基础上,研究了玉米秸秆粉粒体模压 弹塑性本构方程,采用有限元大变形理论,建立了欧拉 描述的有限元模型,同时考虑了刚体转动对塑性压缩成 型的影响.郑晓等[8] 将经典线性黏弹性应变、线性黏塑性 应变和非线性黏塑性应变理论叠加得到菜籽与菜籽仁的 流变非线性黏弹塑性本构模型,并运用模拟退火算法对 本构模型参数进行反演求解. 李汝莘等[9] 通过卷压试验和 收稿日期:2015-01-18 修订日期:2015-04-07 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2014BAC26B00) ;

苏北科技发展 计划项目(BC2013423) 作者简介:孙启新,男,江苏连云港人,讲师,主要从事现代农业机械装备、 生物质能源利用研究.连云港 淮海工学院机械工程学院,222005. Email:[email protected] 通信作者:董玉平,男,山东梁山人,教授,博士生导师,主要从事机械 及生物质能转化技术研究.济南 山东大学机械工程学院,250061. Email:[email protected] 应力松弛试验,以线性黏弹性理论中的经典伯格斯模型 为基础,建立了卷压过程中碎玉米秸秆的流变本构方程, 并用残数法对模型参数进行拟合. 这些研究大都以经典弹塑性理论为基础构建模型, 或依靠试验建立压力和变形数学模型.经典弹塑性理论 是以金属材料为基础的研究成果,而生物质的组成主要 是纤维素、半纤维素和木质素,是典型耗散材料.在压 缩过程中纤维在摩擦力和挤压力作用下会破裂,木质素 会软化而变成熔融状[10-11] .此类模型没有反映生物质本 身的特性和组织结构对成型性能的影响,特别是没有阐 明颗粒间黏结力的产生的机理以及对成型流变过程的阻 碍和促进作用. 生物质成型过程是挤压流和填隙流的混合过程,颗 粒不断破裂,并将气体和水分挤出完成颗粒间间隙填充, 同时木质素软化成熔融状,并黏附在颗粒上,在颗粒之 间形成黏结力.整个变形过程是弹塑性体积应变和剪切 应变的结合.本文以内时理论为基础,以单轴压缩试验 为依据,通过内时度量的定义充分考虑生物质的构成, 特别是木质素在高温和高压下的活化性能对生物质塑性 流动性能的影响,建立热黏塑性本构模型.为进一步的 有限元分析提供材料模型依据,进而提高成型设备的整 体性能和生物质颗粒生产能力.

1 热黏塑性本构模型 传统经典塑性理论是以屈服面为前体提出的,在建 立本构方程必须确定屈服面是否存在.内时理论[12] 是描 ・农业生物环境与能源工程・ 农业工程学报

2015 年222 述耗散材料的黏塑性过程即热力学不可逆过程的材料本 构理论,它不以屈服面的存在与否为前提,但也并不排 斥屈服面的存在.它用内时度量代替牛顿时间,在内时 空间中对物体的的应力应变进行描述.内时度量与材料 的内部结构和内变量有关系,而内变量在材料变形过程 中都有自己的演化方程,运用内时理论可以将本构模型 与材料的变形机理有机的结合起来.通过恰当合理的定 义核函数和内时度量就可获得耗散材料本构关系[13] . 生物质是一种典型的耗散材料,它在成型过程中产 生的黏塑性流变是不可逆热力学过程,至今对其屈服面 的存在和屈服规则的定义没有得到一致认可.内时理论 在建模过程中不需要对此问题进行回答,所以可充分考 虑生物质本身的特性对成型性能的影响.生物质的主要 组成成分为纤维素、半纤维素和木质素,其中秸秆类生 物质中纤维素和半纤维素占 70%左右,木质素占 17%~ 25%[14-15] . 生物质压缩成型过程是被粉碎过的纤维素颗粒 相互挤压、破裂和剪切填充的过程.颗粒的剪切和填充运 动,会产生大量的热量,这些热量和填充压力给了木质素 活化的能量,促使木质素软化和塑化,木质素的这一变化 为纤维颗粒的团聚提供了黏结力,随着材料的硬化小颗粒 永久的黏结在一起.因此生物质成型过程要充分考虑木质 素的特性和温度的影响,是一个典型的热黏塑体.对于热 黏塑体,应力可看作应变、应变率和温度的历史泛函数. 本构模型要反映温度、黏度、应变率对成型过程的影响. 1.1 内时理论定义 秸秆成型是在有固定实形的模具里面完成的,主要 发生体积应变,而塑性体积应变是由于孔隙体........