基于ANSYS的秸稈活塞式成型特性及摩擦熱分析

【摘要】：秸稈固化成型技術(shù)能使松散的秸稈致密化,提高秸稈能量密度和燃燒特性,使其可作為清潔能源直接替代煤用于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域,同時也能解決秸稈儲存、運輸困難問題,是實現(xiàn)秸稈綜合化、規(guī)?；玫闹匾夹g(shù)手段。但是目前該技術(shù)尚需在成型過程特性及成型摩擦熱方面加深理論研究,揭示秸稈成型粘結(jié)機理,為成型制品品質(zhì)預(yù)測和控制、設(shè)備優(yōu)化提供理論依據(jù)。 本文通過對秸稈化學(xué)組成、物理特性及常溫成型機理的分析,得出影響秸稈常溫固化成型品質(zhì)的關(guān)鍵因素是壓縮力和成型過程中的摩擦熱?；谠摻Y(jié)論,根據(jù)活塞式成型技術(shù)間歇式生產(chǎn)的特點,對活塞一次沖壓成型中成型力變化和物料移動進行實驗研究,提出適合活塞式成型技術(shù)的“半閉式”成型模型,即成型過程未達到推移階段前,物料相當于在由模具和靠摩擦力作用下保持靜止的已成型制品組成的閉式環(huán)境中進行壓縮。運用彈塑性力學(xué)、接觸力學(xué)、粘彈性和有限元理論對秸稈固化成型主壓縮階段進行限元分析,研究主壓縮階段物料形變規(guī)律、應(yīng)力分布及接觸應(yīng)力情況,為模具設(shè)計和成型工藝改進提供方法指導(dǎo)和依據(jù)。 基于摩擦學(xué)、傳熱學(xué)原理,結(jié)合秸稈活塞式常溫成型技術(shù)的特點,對成型過程中的摩擦熱問題進行研究,通過引入平均壓力、當量速度等物理量推導(dǎo)成型過程中摩擦熱產(chǎn)生方程,將成型過程摩擦熱問題轉(zhuǎn)化為第二、三類邊界條件的無內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題；建立成型摩擦熱有限元分析模型,對摩擦熱引起的溫度場分布進行研究,并通過實驗驗證有限元模擬的正確性,得出摩擦熱引起的溫度場變化規(guī)律；通過對實驗樣機在不同生產(chǎn)率條件下的摩擦熱模擬分析,研究表明模具在摩擦熱作用下,溫度隨著時間升高并穩(wěn)定在一定溫度,其增長速度和穩(wěn)態(tài)溫度隨著生產(chǎn)率的提高而提高。 在摩擦熱引起的溫度場規(guī)律研究基礎(chǔ)上,針對目前秸稈類生物質(zhì)材料的熱物性參數(shù)欠缺的現(xiàn)狀,進行了秸稈物性參數(shù)的實驗研究,得出秸稈導(dǎo)熱系數(shù)、比熱隨含水率、溫度和密度的變化規(guī)律,為本文研究摩擦熱引起的溫度場在成型制品的傳導(dǎo)提供數(shù)據(jù)支持的同時,也能為秸稈類材料熱相關(guān)的技術(shù)研究提供依據(jù)；建立秸稈成型過程中摩擦熱傳導(dǎo)模型,分析不同條件下摩擦熱在制品內(nèi)的分布及對木質(zhì)素粘結(jié)作用進行分析,研究表明制品內(nèi)溫度場分布是由模具溫度和制品在模具內(nèi)滯留時間共同決定的；對于本文實驗樣機,雖然當生產(chǎn)率為60kg/h時,摩擦熱引起的溫度場能達到220～230℃,生產(chǎn)率為50kg/h時溫度場為180～190℃,但是由于制品在模具內(nèi)滯留時間的影響,生產(chǎn)率為50kg/h,制品中心木質(zhì)素也能達到軟化溫度,成型品質(zhì)較高；該研究能為成型生產(chǎn)工藝改進、提高成型品質(zhì)和設(shè)備設(shè)計提供理論依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：生物質(zhì) 秸稈成型 有限元 主壓縮 摩擦熱
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK6
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 課題研究背景及意義15-17
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究意義16-17
• 1.2 成型工藝與設(shè)備簡介17-19
• 1.2.1 活塞式成型17-18
• 1.2.2 螺旋式成型18
• 1.2.3 模壓式成型18-19
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-24
• 1.3.1 壓縮特性研究19-21
• 1.3.2 流變學(xué)研究21-22
• 1.3.3 應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律22
• 1.3.4 成型影響因素及優(yōu)化研究22-24
• 1.4 研究中存在的問題24
• 1.5 課題研究內(nèi)容24-27
• 第2章 秸稈常溫活塞式固化成型技術(shù)27-43
• 2.1 秸稈成型特性分析27-30
• 2.1.1 基本化學(xué)組成27-28
• 2.1.2 主要化學(xué)成分在成型過程中的作用28-29
• 2.1.3 物理特性29-30
• 2.1.4 成型機理30
• 2.2 秸稈活塞式成型過程分析30-35
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)及工作過程31
• 2.2.2 活塞式?jīng)_壓成型技術(shù)特點31-33
• 2.2.3 成型過程的分解33-35
• 2.2.4 保證成型品質(zhì)的關(guān)鍵階段35
• 2.3 秸稈固化成型中的非線性問題35-41
• 2.3.1 有限變形描述35-37
• 2.3.2 彈塑性非線性37-39
• 2.3.3 接觸非線性39-41
• 2.4 本章小結(jié)41-43
• 第3章 秸稈活塞式固化成型主壓縮分析43-63
• 3.1 引言43
• 3.2 可壓縮連續(xù)體假設(shè)43-44
• 3.3 秸稈固化成型有限元彈塑性本構(gòu)方程44-53
• 3.3.1 屈服準則44-48
• 3.3.2 強化準則48
• 3.3.3 流動準則48-49
• 3.3.4 秸稈固化成型本構(gòu)方程49-53
• 3.4 秸稈固化成型有限元對接觸問題的處理53-54
• 3.5 秸稈固化成型主壓縮有限元模擬54-58
• 3.5.1 建立模型54-55
• 3.5.2 選擇單元和材料特性55
• 3.5.3 網(wǎng)格劃分55-56
• 3.5.4 定義接觸56-57
• 3.5.5 施加載荷并求解57-58
• 3.6 模擬結(jié)果分析58-61
• 3.6.1 位移場分布58-59
• 3.6.2 應(yīng)力分析59-61
• 3.6.3 接觸應(yīng)力分析61
• 3.7 本章小結(jié)61-63
• 第4章 成型摩擦熱分析63-79
• 4.1 引言63
• 4.2 成型各階段摩擦熱及影響63-64
• 4.3 摩擦熱的計算64-67
• 4.3.1 基本假設(shè)64-65
• 4.3.2 摩擦熱的計算65-67
• 4.3.3 摩擦熱影響因素分析67
• 4.4 傳熱基本方程和邊界條件67-71
• 4.4.1 傳熱方程及推導(dǎo)67-68
• 4.4.2 單值性條件68-69
• 4.4.3 溫度場求解69-71
• 4.5 摩擦熱有限元模擬71-75
• 4.5.1 模型的建立71
• 4.5.2 材料參數(shù)71-72
• 4.5.3 載荷邊界條件72
• 4.5.4 模擬結(jié)果和分析72-75
• 4.6 試驗驗證75-76
• 4.6.1 試驗步驟75-76
• 4.6.2 試驗結(jié)果和分析76
• 4.7 本章小結(jié)76-79
• 第5章 摩擦熱對成型制品的影響分析79-91
• 5.1 引言79
• 5.2 原料的熱物性參數(shù)79-85
• 5.2.1 比熱測試80-82
• 5.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試82-85
• 5.3 固化成型熱傳導(dǎo)控制方程85-86
• 5.4 溫度場有限元模擬86-87
• 5.4.1 模型建立和材料屬性86
• 5.4.2 單元選取和網(wǎng)格劃分86-87
• 5.4.3 載荷和邊界條件87
• 5.4.4 瞬態(tài)溫度場求解87
• 5.5 溫度場結(jié)果分析87-89
• 5.5.1 溫度場總體分布規(guī)律87-88
• 5.5.2 溫度場分布對制品質(zhì)量的影響88-89
• 5.6 本章小結(jié)89-91
• 總結(jié)與展望91-93
• 參考文獻93-99
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文與參研課題99-101
• 致謝101-102
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表102

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