第4章 生物质秸秆致密成型有限元分析
4.1模型的建立
4.1.1建立分析模型
生物质秸秆
颗粒燃料致密成型过程看上去很简单，但是在模具里物料的挤压变形受到多种因素的影响，使得物料致密成型变得复杂。秸秆致密成型过程中，物料经喂料机构送到压缩室，在压轮作用下，颗粒之间相互挤压变形最后粘结在一起成型。由于实际几何模型的建立取决于众多因素，但是在致密成型过程中为了方便研究问题，对模型适当的简化，建立分析模型，如图4-1所示。
本文根据实际情况作以下假设：
1)将生物质致密成型过程简化为弹塑性体与刚性体的非光滑接触计算模型；
2)不考虑材料内部的物理性能、搅拌、化学反应等现象；
3)将生物质秸秆原料看作连续均匀的物质；
4)不考虑温度结构耦合问题。
秸秆物料在模具里受挤压后出现大变形属于非线性问题。非线性问题可以分为三类：几何非线性、状态变化和材料非线性[52]。本文研究的秸秆变形属于状态变化大变形接触问题。分析模型主要由模具和秸秆物料构成，模具入口带有一定的锥角，方便物料进入挤压。本文主要研究成型孔对致密成型的影响，考虑结构及载荷的对称性，对实际装置进行简化，采用轴对称压缩模型，采用ANSYS软件建立二维几何模型如图4-2所示。
4.1.2设置有限单元类型和材料特性
在网格划分之前，首先对有限元模型中将要用到的单元属性进行定义，单元属性一般包括：单元类型、实常数、和材料特性。
离散化有限单元模型包括两部分内容：一是选择适当的单元类型，主要是根据结构的尺寸和形状进行选取，使结构的变化和几何特征在这些单元中很好的体现；二是确定离散化的单元所用的个数。
有限元的基本思想在于将求解域离散化。对不同的求解域，选择不同的单元属性，这样可以反映求解的特点，得到最优分析效果。所以，选择有限单元类型很重要。如果选择合适，分析计算会很快速准确；若选择不当，分析结果可能出现较大的误差，甚至有可能完全不对。
为适应不同的分析需要，ANSYS单元库中提供了190多种不同的单元类型，从普通的线单元、面单元、实体单元（包括2维和3维单元）到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元等。每种单元类型唯一独特的表示方法，单元类型决定了单元自由度以及它所在的空间。
本文生物质秸秆致密成型过程中主要涉及结构非线性分析，考虑到挤压过程中物料出现大变形问题，所以选取单元必须具有塑性和大变形能力，本文选用2维4节点四边形面单元PIAN182，每个节点具有X和Y方向的平移自由度，有较高的结构精度。该单元即可用作轴对称单元，也可作为平面单元，具有大变形和大应变能力。挤压模型选用TARGET169单元进行模拟。挤压模和生物质秸秆是在材料属性上也不同，给定的材料参数如表4-1所示。
4.13模型网格划分
建立好压缩模型之后，对模型其进行网格化分。网格划分是整个分析过程最重要的步骤之一，划分网格时对不同材料构件设置相应的材料属性。网格划分的好坏对计算结果的准确性和计算进度有很大的影响，如果网格划分的不合理可能会导致计算结果不准确，严重时不收敛。
一般网格划分有两种方式：自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分没有特定的规则，对单元形状没有任何要求，基本适用于所有的模型，划分的网格也不规则。映射网格划分比较规则，一般映射体网格只包含六面体单元，而映射面网格既包含三角形又包含四边形形单元。映射网格划分适用于形状规则的面或体。选择好网格类型对建好的模型进行网格划分很重要，对计算时间和结果影响很大。根据实际情况确定采用自由还是映射网格进行分析。在本文中，由于模型形状比较规则，采用易于收敛的映射网格划分�；值耐袢缤�4-3所示。
4.1.4接触单元的定义
秸秆物料在致密成型过程中物料和模具之间存在摩擦和挤压的现象，涉及到了接触问题，所以必须建立接触单元，进行接触分析。
接触问题一般分为刚体和柔体的接触、半柔体和柔体接触两种类型。当刚体和柔体接触时，一个或多个接触面被当作刚体。在软质材料和硬质材料接触时，‘可看做为柔体一刚体的接触问题，许多非金属和金属成型问题都属于柔体一刚体的接触问题。另一类，是软质材料和软质材料的接触，即柔体一柔体的接触，是一种比较常见的接触类型，通常这种情况下，两个接触体有近似的刚度，它们都属于变形体。
前面所述生物质秸秆由于成型挤压过程中挤压模和玉米秸秆之间存在挤压、滑动摩擦现象，进行有限元分析时必须建立接触副( Contact Pair)。
ANSYS支持三种接触方式：点一点接触，点一面接触，‘面—面接触。
在分析问题时必须确认模型中的哪些部分可能会相互接触，然后再给接触问题建模，如果相互接触的是一点，那么模型对应的组元就是一个节点。如果相互接触的有一个是面，那么模型的对应组元是单元。有限元模型接触匹配对通过指定的接触单元来识别，接触单元是一层单元，它主要依附在分析模型接触面之上的[55l，
1)面一面的接触单元 ，
ANSYS中提供了用来处理刚体一柔体和柔体—柔体面面接触问题的单元，实体的接触关系通过这些单元“目标面”和“接触对”来模拟。
刚性面被当作“目标面”，分别用Targe169和Targe170来模拟，柔性体的表面被当作“接触面”，用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174来模。拟一个“接触对”包括一个目标单元和一个接触单元。共享的实常数实现了接触对的程序，通常给建立好的“接触对”的指定相同的实常数。
面一面接触与点—面接触相比有以下优点：
①支持大变形，协调刚度阵计算，不对称单元刚度阵的计算等。
②支持低阶单元和高阶单元。
③提供可用于工程目的采用的更合适的接触结果，如法向压力和摩擦应力。
④没有刚体表面形状的限制，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。
⑤与点一面接触单元相比，不需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU计算时间较短。
⑥允许多种建�？刂�，如目标面自动移动到初始接触位置、绑定接触、平移接触面和支持单元死活等。
2)点一面接触单元
点一面的接触行为主要通过点一面接触单元来建模。Contact175、Contact26、Contact48和Contact49都是点一面接触单元，都支持相对滑动、大变形，接触面之间也不需要保持一致的网格。面一面的接触问题可以通过点一面的接触单元定义一组节点定义接触面来模拟。
3)点一点接触单元
点一点的接触行为主要通过点一点接触单元来模拟。为了使用点一点接触单元，必须知道接触位置，点一点的接触问题仅适用于接触面之间有较小相对滑动。
本文中模具的刚度远大于秸秆物料的刚度，模具与秸秆物料之间的接触是软质材料与硬质材料之间的接触，属于一对刚体—柔体接触。摩擦行为由库仑定律处理，摩擦系数取0.2。采用二维的面面接触单元(TARGET169和CONTACT172)，模具是刚性体，为目标面，用TARGET169单元；玉米秸秆是柔性体，为接触面，用CONTACT172单元。接触对模型如图4-4所示。
4.2施加载荷并求解
ANSYS软件中的载荷包括了所有的边界条件（约束、支承或边界场的参数）、外部或内部的作用效应。我们所用的荷载一般分为六种不同类型：
1) DOF约束(DOF constraint):用于对模型自由度的限定，已知量表示某个给定的自由度。
2)力( force):施加在模型节点上的集中载荷。
3)表面载荷(surface load):施加于某个单元上的分布载荷，包括线分布和面分布。
4)体积载荷(body load):为体积或场载荷，作用在体积或场域内。
5)惯性载荷(inertia loads):主要用在结构分析中，是由惯性引起的载荷。
6)耦合场载荷(coupled-fidld loads):是上载荷的一种特殊情况，一种结果作用为另一分析的载荷。
本文主要模拟秸秆致密成型过程中的应力应变分布以及模具内物料的流变规律，分析物料的受力和变形问题。给模具的外表面和底部施加固定约束，给物料上表面施加一个Y方向的位移载荷，如图4-5所示。
完成了约束及载荷的施加，进入ANSYS求解器(solution)，由于生物质致密成型属于非线性问题，容易出现不收敛的情况，为避免计算结果不收敛，在本文分析时针对非线性分析的选项中打开了线性搜索和变形预测，设定大位移选项( Largedisplacement static)并在求解选项中打开了自动时间步长，计算时选用选Full N-Runsyrnm求解器，如图4-6所示。
完成求解设置以后便可以进行静态结构有限元分析。
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