高雨航，孫秀茹

(煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265400)

世界化石能源資源量有限，消費(fèi)量逐年增加，且燃燒過程釋放的有害氣體對(duì)環(huán)境污染日益加劇，因此，世界各國學(xué)者正研究和探索新能源[1]。相比其他種類能源，生物質(zhì)能是一種綠色無污染的可再生能源。沙柳作為我國西北部沙漠地區(qū)造林面積最大的樹種之一，具有“平茬復(fù)壯”的生物習(xí)性，是發(fā)展生物質(zhì)成型燃料可依賴的重要原料資源，對(duì)其進(jìn)行致密壓縮處理，可以緩解我國的能源短缺問題，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[2]。

沙柳細(xì)枝的細(xì)胞構(gòu)造和排列方式等決定了其力學(xué)性質(zhì)多表現(xiàn)為各向異性[3]，致密成型前呈離散狀態(tài)。在其由松散到致密的形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，顆粒固化黏結(jié)成棒狀燃料，用連續(xù)體力學(xué)分析方法很難確切研究。因此，采用離散元方法來模擬沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過程更接近實(shí)際，而力鏈不僅是宏觀顆粒體系的細(xì)觀力學(xué)行為，也是外載荷的傳遞路徑[4]。筆者采用離散元方法，對(duì)沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過程中力鏈的傳遞規(guī)律進(jìn)行研究，以期為生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展提供新的途徑。

1 理論基礎(chǔ)

離散單元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，提出的一種顆粒物料細(xì)觀力學(xué)分析方法[5]。由于沙柳顆粒力學(xué)本構(gòu)模型具有黏彈特性，其顆粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性變形，因此，選用軟球模型(見圖1)來描述顆粒間的接觸模型。采用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型模擬沙柳顆粒致密成型過程[6]。

圖1 軟球模型

2 離散元仿真

為促使沙柳顆粒更容易進(jìn)入成型腔內(nèi)，成型模具進(jìn)料口處應(yīng)有一定錐度，而錐度的大小與成型燃料的密度和模具的壽命有關(guān)。當(dāng)模具開口錐度為45°時(shí)，進(jìn)料錐面所受應(yīng)力較小[7]。因此，本次試驗(yàn)選用45°錐角的模具，模具尺寸參數(shù)如圖2a所示。根據(jù)圖2a中的尺寸參數(shù)和約束條件創(chuàng)建的離散元模型如圖2b所示。

a.模具內(nèi)腔 b.離散元模型

注:1.柱塞；2.進(jìn)料口；3.成型腔；4.底部墊片

模擬時(shí)，選用粒徑為0.5mm～3.5mm，用球形顆粒近視代替原物料，采用隨機(jī)方式生成顆粒，生成完畢且達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)入待壓縮狀態(tài)。柱塞以100mm/min的速度勻速向下運(yùn)動(dòng)。設(shè)置仿真總時(shí)間為96s，即柱塞向下運(yùn)動(dòng)160mm。仿真網(wǎng)格尺寸為3Rmin(最小顆粒半徑)。模擬開始后，每隔1s記錄1次。

3 結(jié)果與討論

3.1 軸向方向力鏈傳遞分析

軸向方向不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)顆粒間接觸力分布圖如圖3所示，圖3(a)～3(f)按順序分別對(duì)應(yīng)于2s、16s、28s、40s、55s、85s時(shí)刻。圖中橫坐標(biāo)代表軸向方向位置(其中，0點(diǎn)代表底部位置，正值為遠(yuǎn)離底部位置向上一側(cè))，縱坐標(biāo)代表顆粒間接觸力分布情況。在2s時(shí)，顆粒靜止堆積，符合“糧倉效應(yīng)”，重力有方向性地傳播，最大接觸力值出現(xiàn)在底部；在16s時(shí)，柱塞開始與物料接觸，而底部顆粒由于重力的原因變形較大，最大接觸力由兩端向中心傳遞，最大接觸力值位置逐漸經(jīng)歷由底部向頂部層變化的過程；在28s時(shí)，最大接觸力基本保持由上向下逐漸降低的規(guī)律；在40s時(shí)，整個(gè)成型燃料接觸力值保持接近；在55s時(shí)，最大接觸力由頂部、底部向中心傳遞；在85s時(shí)，各部分接觸力逐漸趨于平穩(wěn)，且接觸力值保持接近。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)圖3 軸向方向顆粒間接觸力分布

(a) (b) (c)圖4 周向方向顆粒間接觸力分布

3.2 周向方向力鏈傳遞分析

周向方向不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)顆粒間接觸力分布圖如圖4所示，圖4(a)～4(c)按順序分別對(duì)應(yīng)于5s、50s、85s時(shí)刻。在5s時(shí)，顆粒體系在外載荷和重力作用下消除顆粒間空隙，各部分接觸力值相近；在50s時(shí)，顆粒體系受力膨脹，成型模具外壁受到物料的沖擊而提供給顆粒反作用力，最大接觸力由左、右兩端向中心傳遞；在85s時(shí)，各部分接觸力逐漸趨于平穩(wěn)，且接觸力值保持接近。

4 結(jié)論

通過離散元方法對(duì)沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過程中力鏈傳遞規(guī)律進(jìn)行研究，得到軸向方向接觸力從上向下傳遞后均勻分布，再從兩端向中心傳遞后均勻分布的過程。周向方向接觸力從均勻分布到邊緣向中心傳遞，再均勻分布在顆粒體系內(nèi)。