*，陳發(fā)江，徐浩然

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州晶木建材有限公司，貴州 貴陽 550025)

木質(zhì)板材制備采用的是壓制技術(shù)，其成形過程中受到許多因素的影響，如壓制成形工藝參數(shù)中壓制時間、壓制壓力和壓制速度等。這些因素的共同作用決定了木質(zhì)板材壓制成形后的質(zhì)量和性能。而目前壓制成形工藝參數(shù)方面廣泛依賴于工人的經(jīng)驗，這種方法不僅浪費了巨大的人力物力財力，而且工作周期長效率低，計算機仿真模擬技術(shù)在離散元素法的發(fā)展應用可解決這一問題。

1971年英美兩國學者首次提出了離散元素法(Discrete Element Method，DEM)，該方法是一種新型的數(shù)值方法，能夠?qū)碗s的離散系統(tǒng)動力學問題進行相關(guān)分析和求解[1]。與有限元素法不同，離散元是處理復雜離散非連續(xù)介質(zhì)的運動規(guī)律等問題，發(fā)展至今已廣泛應用于很多散體物料，如陶瓷粉料、煤粉等領(lǐng)域，但在木質(zhì)板材壓制成形方面的應用還是空白。EDEM是一款計算機輔助工程軟件，能夠?qū)^大多數(shù)形狀粒子進行模擬仿真與分析，不僅可以對粒子系統(tǒng)的相關(guān)模型進行快速、簡便地設置，初始化粒子相關(guān)的力學特性等物理特性，還可以將每一個粒子的質(zhì)量、速度等所有相關(guān)信息在仿真結(jié)束中進行管理和儲存[2-3]。本文采用EDEM離散元軟件，對木質(zhì)板材壓制成形進行數(shù)值模擬和分析，并進行試驗驗證其可行性和準確性。

1 木料粒子模型運動分析

(1)

式中：m為木料粒子的質(zhì)量大小(kg)；s為木料的位移(m)；t為木料的運動時間(s)；c為木料與木料的黏性阻尼系數(shù)(N/(m·s-1))；k為剛度(N/m)；F為木料受到的作用力(N)[3-6]。

運用中心差分法對式(1)進行求解得：

+ks(t)=f(t)

(2)

式中：Δt為時間間隔，f(t)、s(t)、s(t-Δt)、s(t+Δt)為在t與t+Δt時刻之間粒子的動態(tài)變化量，假設均是已知。

將式(2)化簡得：

(3)

由于木料粒子的屬性屬于EDEM中的軟球模型顆粒，故采用如圖1所示的單元循環(huán)數(shù)值運算流程對式(3)進行運算[7-9]。

圖1 木料粒子作用力計算流程框圖

2 選擇木料接觸力學模型

木質(zhì)板材壓制成形的過程實質(zhì)是木料粒子等原料相互間的移動、變形，最終木料粒子間的孔隙率減小和木板結(jié)構(gòu)致密化的過程。這個過程是通過模壓模板與木料粒子及木料粒子與木料粒子間的相互接觸、壓實來實現(xiàn)的。采用離散元法中彈性-阻尼-接觸摩擦力力學模型，來模擬模板與木料粒子及木料粒子與木料粒子間的接觸和壓實過程，力學模型如圖2所示[10]。

采用SPSS 14.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗；計量資料以“±s”表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

圖2 木料接觸力學模型

運用接觸力學分析法對木料接觸力學模型進行計算得：

(4)

(5)

(6)

Ft=-Srδt

(7)

其中：

(8)

(9)

(10)

3 木料壓制成形的數(shù)值模擬

前處理、求解和后處理是EDEM離散元分析軟件的三個分析過程[12]，其中前處理是對模型進行構(gòu)建和對相關(guān)參數(shù)初始化的過程，求解是對模型進行模擬仿真和計算的過程，后處理是將仿真結(jié)果顯示和分析的過程[13]。本文對木質(zhì)板材壓制機首先進行建模，EDEM軟件中默認的Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型適用于粒子受到較大壓力后產(chǎn)生形變的情況，結(jié)合木質(zhì)板材實際壓制成形的過程，適用于采用該模型。

3.1 前處理

3.1.1 木料粒子相關(guān)參數(shù)設定

(1)木料粒子接觸模型設定。在EDEM軟件的Physics物理特性選項塊中選擇Particle to Particle交互項，木料粒子與木料粒子之間接觸模型選擇默認的Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，木料粒子與模板之間的接觸模型設定為Standard Rolling Friction接觸模型，設定模型相關(guān)參數(shù)如圖3所示。重力系數(shù)設為-9.18 N/s2，其方向為軟件內(nèi)部坐標系Z軸方向。

圖3 木料接觸模型相關(guān)參數(shù)設定

(2)木料粒子特性及模板材料屬性設定。創(chuàng)建木料粒子材料名為Wood，每一層木板之間的模板的材料設置為Steel，材料特性設定如圖4、圖5所示。木料及模板材料力學屬性設定見表1。

圖4 木料粒子特性設置

圖5 模板材料特性設置

表1 木料及模板材料力學屬性

3.1.2 木料粒子形狀設定

在EDEM軟件的粒子系統(tǒng)子面板中創(chuàng)建新的粒子Wood Particle，材料設定為Wood，木料粒子是由多個不同的面組成的，由于木料粒子眾多且形狀不確定，因此選用2種數(shù)量比為2∶1不同模型的粒子代替木料粒子。木料粒子形狀及尺寸如圖6所示，其中坐標單位均為mm。

圖6 木料粒子形狀及尺寸

3.1.3 木料粒子工廠參數(shù)設定

木料粒子參數(shù)的設定來決定了木質(zhì)板材成形仿真模型中的木料粒子生成方式。因此設定工廠為Dynamic(動態(tài))類型，木板層數(shù)為20 層，每一層木料粒子總數(shù)為10 000，木料粒子生成的模式設定為random(隨機)，木料粒子尺寸分布參數(shù)為0.5～1.5，設定木料粒子尺寸參數(shù)的過程如圖7所示。

圖7 木料粒子尺寸參數(shù)設置

3.2 求解

根據(jù)Rayleigh時間步長T的計算公式[14]：

(11)

式中：R為木料粒子半徑(mm)；ρ為木料粒子密度(kg/m3)；τ為剪切模量(MPa)；υ為木料的泊松比。離散元軟件EDEM會自動對式(11)進行運算[15]。根據(jù)運算結(jié)果將模擬仿真時間設定為2.5 s，并對木料仿真網(wǎng)格單元及網(wǎng)格尺寸進行設定。其木質(zhì)板材壓制成形仿真過程如圖8所示。

圖8 木質(zhì)板材壓制成形仿真過程

3.3 仿真結(jié)果分析

在后處理器Setup Selections的Grid Bin Group中，選取壓制成形后第一、六、十一、十六層的木質(zhì)板材，根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設x軸表示模擬仿真時間，y軸表示木料的應力值，得到壓制速度0.3 m/s的應力值與時間關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可以看出，壓制成形過程中每層木質(zhì)板材隨著壓制時間的遞增，板材所受到的應力值也隨著增大，且越下層的板材所受的應力值越大。主要原因是隨著壓制時間的增大，上模沖的壓制力及上層板材成形后的壓制力，共同增加了下層木質(zhì)板材的應力值。

圖9 壓制速度0.3 m/s時各層的應力值

4 試驗驗證

在貴州晶木建材有限公司采用木質(zhì)板材全自動液壓機進行了實際壓制試驗，得出壓制速度為0.3 m/s時，第一、六、十一、十六層的應力值和壓制時間的關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，仿真結(jié)果得出的曲線與試驗得出的曲線基本相符，說明基于EDEM軟件在木質(zhì)板材壓制成形分析方面具有可行性。

圖10 試驗與仿真結(jié)果對比圖

5 結(jié)論和討論

(1)基于離散元法結(jié)合散體粉料壓制的實例，運用EDEM軟件對木料壓制成形過程進行模擬分析，得到木質(zhì)板材壓制成形的具體過程。

(2)根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到每層木料所受的應力值隨著層數(shù)和壓制時間的遞增而增大的結(jié)論。

(3)對仿真結(jié)果與液壓機實際壓制進行了對比驗證，其結(jié)果與仿真基本一致，表明了運用EDEM軟件對木質(zhì)板材進行數(shù)值模擬的可靠性和準確性。