梁康哲 唐杰 王全亮

摘 要：利用熱壓成型機(jī)對(duì)林木剩余物致密成型加工，可提高單位體積熱值和燃燒利用率。通過(guò)林木剩余物成型溫度場(chǎng)模擬分析，得到最佳溫度值，以降低能耗。壓頭作為熱壓機(jī)核心構(gòu)件，探究在高溫高壓下其強(qiáng)度是否符合要求，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以紅松（Pinus koraiensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）材料參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)成型塊出模階段溫度場(chǎng)瞬態(tài)分析，確定最佳加熱溫度為175 ℃。以鈦合金材料參數(shù)為基礎(chǔ)，在該溫度下對(duì)壓頭進(jìn)行熱固耦合分析，在20 MPa載荷作用，壓頭所受最大應(yīng)力值為383.76 MPa，最大變形量為0.16 mm，強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足條件。利用多目標(biāo)優(yōu)化分析，將壓頭厚度設(shè)為自變量，強(qiáng)度、變形量和質(zhì)量為因變量進(jìn)行優(yōu)化。在強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足工作條件下，確定壓頭厚度為20 mm，優(yōu)化前后壓頭重量減少27.8%，進(jìn)而達(dá)到降低成本，使結(jié)構(gòu)輕量化目的。

關(guān)鍵詞：林木剩余物；瞬態(tài)分析；壓頭；熱固耦合；多目標(biāo)優(yōu)化分析

中圖分類(lèi)號(hào)：S776.034 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8023（2023）06-0116-10

Forest Residue Thermoforming Temperature Field Distribution and Indenter Optimization Study

LIANG Kangzhe， TANG Jie， WANG Quanliang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：The dense forming process of forest residues using a hot press molding machine can improve the calorific value per unit volume and combustion utilization. The simulation analysis of the forming temperature field of forest residues was conducted to obtain the optimal temperature value in order to reduce energy consumption. The indenter， as the core component of the hot press， was investigated to see if its strength met the requirements under high temperature and pressure， and its structure was optimized. Based on the material parameters of Pinus koraiensis and Fraxinus mandshurica， the optimal heating temperature was determined to be 175 ℃ by transient analysis of the temperature field of the molding block out of the mold stage. Based on the material parameters of titanium alloy， the thermosolid coupling analysis of the indenter at this temperature， the maximum stress value of the indenter under 20 MPa load was 383.76 MPa， the maximum deformation was 0.16 mm， and the strength and stiffness satisfied the conditions. Multi-objective optimization analysis was performed with the thickness of the indenter as the independent variable and the strength， deformation and mass as the dependent variables. Under the condition that the strength and stiffness met the working conditions， the thickness of the indenter was determined to be 20 mm， and the weight of the indenter was reduced by 27.8% before and after the optimization， so as to achieve the purpose of reducing the cost and making the structure lighter.

Keywords：Forest residue; transient analysis; indenter; thermo-solid coupling; multi-objective optimization

收稿日期：2022-12-29

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572021BL02），黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目（YQ2023C025）。

第一作者簡(jiǎn)介：梁康哲，碩士研究生。研究方向?yàn)榱謽I(yè)機(jī)械。E-mail： lkzlkyoung@163.com

*通信作者：王全亮，博士，副教授。研究方向?yàn)樯なＳ辔镩_(kāi)發(fā)與高效利用。E-mail： wqlunt@126.com

引文格式：梁康哲，唐杰，王全亮.林木剩余物熱成型溫度場(chǎng)分布與壓頭優(yōu)化研究[J].森林工程，2023，39（6）：116-125.

LIANG K Z， TANG J， WANG Q L. Forest residue thermoforming temperature field distribution and indenter optimization study[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：116-125.

0 引言

我國(guó)林木剩余物資源量巨大，種類(lèi)繁多，但利用率較低。將林木剩余物作為清潔型可再生能源，對(duì)其利用具有廣闊的前景。目前，我國(guó)電力仍面臨短缺的難題，若將其燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電，具有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，林木剩余物的直接燃燒利用，存在燃燒不充分現(xiàn)象。因此，通過(guò)對(duì)林木剩余物壓縮成型，提升其堆積密度、體積能量密度的同時(shí)提升單位體積熱值，達(dá)到充分燃燒的目的。林木剩余物壓縮成型技術(shù)，在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)黏合劑，將松散的樹(shù)枝和木屑等生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料。成型后密度可達(dá)0.8～1.4 g/cm，體積壓縮6～8倍，燃燒熱值在16～21 MJ/kg左右，相當(dāng)于中質(zhì)褐煤，燃燒效率可達(dá)90%左右，熱效率在45%以上，是煤炭的理想替代產(chǎn)品，不僅將林木剩余物能量利用最大化，還能解決運(yùn)輸中儲(chǔ)存困難的問(wèn)題。

目前，林木剩余物壓縮成型方法根據(jù)是否采取加熱，可分為冷壓和熱壓，熱壓相較于冷壓而言，是指在加熱條件下，有利于木質(zhì)素的析出和軟化，熔融狀態(tài)下更有利于原料間的黏合，使成型塊不易開(kāi)裂。產(chǎn)品質(zhì)量也是推動(dòng)清潔能源發(fā)展的先決條件。對(duì)林木剩余物熱壓成型利用，具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重效益。推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的同時(shí)，改善能源利用結(jié)構(gòu)。發(fā)展可再生能源的同時(shí)，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。林木剩余物壓縮成型提升了對(duì)木材的利用率。因此，對(duì)林木剩余物熱壓成型利用的研究具有實(shí)際意義。

由于加熱有利于木質(zhì)素軟化黏合，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)林木剩余物成型加熱環(huán)境和材料傳熱研究較為關(guān)注。Song等 推導(dǎo)了熱能平衡方程，并使用有限差分法模擬出溫度分布，模擬結(jié)果得出溫度模型與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。Tang等 模擬內(nèi)部溫度分布圖，由云圖得知隨時(shí)間的推移，成型內(nèi)部溫度逐漸升高。Mikulandric＇ 等 考慮成型過(guò)程中的力學(xué)和熱量因素，模擬受壓過(guò)程的傳熱情況，分析出成型過(guò)程中，熱損失占總能耗的10%～25%。因此，通過(guò)對(duì)成型溫度場(chǎng)模擬，選擇合適溫度來(lái)減少能耗是十分必要的。

在熱壓過(guò)程之中，壓頭作為熱壓機(jī)的核心構(gòu)件，在高溫和壓力作用下，其強(qiáng)度和剛度都會(huì)受到影響。因此，需要對(duì)壓頭進(jìn)行熱固耦合分析，探究壓頭的強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足工作條件。本研究首先對(duì)林木剩余物成型塊進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，結(jié)合溫度分布及節(jié)省能耗的條件下，選取最佳加熱溫度。即為壓頭熱固耦合分析所需溫度。經(jīng)耦合分析，壓頭強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足工作條件。為降低成本和結(jié)構(gòu)輕量化，對(duì)壓頭進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，將壓頭厚度設(shè)為自變量，強(qiáng)度、變形量和質(zhì)量等因素為因變量。在壓頭強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足工作條件的情況下，計(jì)算出壓頭最佳厚度，達(dá)到優(yōu)化目的。1 林木剩余物成型塊出模階段溫度場(chǎng)分析

1.1 成型過(guò)程及溫度場(chǎng)類(lèi)型分析

首先，原料進(jìn)入腔體后，均勻地受到腔體內(nèi)加熱線(xiàn)圈的加熱作用，熱量通過(guò)內(nèi)壁逐漸傳遞至成型塊芯部，達(dá)到熱平衡狀態(tài)。移動(dòng)壓頭進(jìn)行壓制。原料含水率12%，視為干顆粒。壓制過(guò)程如圖1所示。

通過(guò)對(duì)模型簡(jiǎn)化如圖2所示，在笛卡爾坐標(biāo)下林木剩余物燃料塊三維瞬態(tài)傳熱微分方程為

式中：ρ為林木剩余物材料的密度，g/cm；C為林木剩余物材料的比熱容，J/（g·℃）；k為林木剩余物材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，J/（cm·s·℃）；q為林木剩余物材料內(nèi)部熱源密度；T為外部溫度，℃；t為傳熱時(shí)間，s。

在傳熱過(guò)程中，若將林木剩余物原料視為各向同性傳熱，則可將上式簡(jiǎn)化為

在柱坐標(biāo)系中生物質(zhì)燃料塊所取的微元如圖2所示，則其瞬態(tài)傳熱方程為

綜上可知，林木剩余物原料成型升溫所需熱量為外部環(huán)境導(dǎo)入和自身內(nèi)部熱源之和。外部環(huán)境導(dǎo)入由加熱線(xiàn)圈提供，林木剩余物原料自身并不產(chǎn)生熱量。該成型傳熱為三維瞬態(tài)傳熱，故采用ANSYS中的Transient Thermal模塊對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，設(shè)定與腔體接觸的表面采用Temperature邊界條件，施加恒定溫度載荷。未與腔體接觸表面采用Convection邊界條件。通過(guò)參數(shù)計(jì)算，模型簡(jiǎn)化，材料和工況設(shè)定，求解計(jì)算對(duì)成型塊溫度分布進(jìn)行模擬。

1.2 溫度場(chǎng)參數(shù)設(shè)定

由于林木剩余物種類(lèi)繁多，本研究選取東北地區(qū)2種常見(jiàn)樹(shù)種紅松（Pinus koraiensis）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）。以這2種剩余物為原料，其含水率為12%。在熱壓過(guò)程中，原料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱會(huì)隨溫度發(fā)生變化。因此，根據(jù)這2樹(shù)種的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱隨溫度的變化關(guān)系，計(jì)算出具體數(shù)值，并作為成型塊溫度場(chǎng)參數(shù)設(shè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)式（4）—式（7），對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)熱系數(shù)及比熱隨溫度變化曲線(xiàn)如圖3所示。

k=0.071 35exp（0.008 631T）。??? （4）

C=0.409 9exp（0.007 810T）。??? （5）

k=0.110 41exp（0.006 510T）。??? （6）

C=0.365 6exp（0.005 155T）。??? （7）

式（4）和式（5）為紅松參數(shù)計(jì)算公式，式（6）和式（7）中為水曲柳參數(shù)計(jì)算公式。式（4）—式（7）中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，J/（cm·s·℃）；C為比熱，J/（g·℃）；T為溫度，℃。通過(guò)計(jì)算得出熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱隨溫度變化值，見(jiàn)表1。

1.3 成型塊溫度場(chǎng)分布模擬

1.3.1 模型簡(jiǎn)化

成型塊的溫度分布，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，通過(guò)對(duì)不同構(gòu)型成型塊溫度模擬，選取分布狀況好的構(gòu)型。常見(jiàn)構(gòu)型為菱形塊和圓柱型塊，如圖4所示。其中，菱形塊邊長(zhǎng)和圓柱型塊直徑尺寸均為120 mm，厚度均為30 mm。

研究的對(duì)象為對(duì)稱(chēng)形狀的成型塊，受對(duì)稱(chēng)載荷作用。選用Thermal Solid實(shí)體單元類(lèi)型，選用8節(jié)點(diǎn)平面熱單元PLANE77，該熱單元為2維度4節(jié)點(diǎn)熱單元，每節(jié)點(diǎn)僅有1個(gè)自由度和溫度。設(shè)置為軸對(duì)稱(chēng)類(lèi)型，不考慮熱壓過(guò)程中林木剩余物原料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。

1.3.2 材料及工況設(shè)定

材料選用含水率為12%的紅松和水曲柳剩余物，原料處于22 ℃常溫，密度分別為0.5 g/cm和0.66 g/cm。導(dǎo)熱系數(shù)及比熱隨溫度變化設(shè)定見(jiàn)表1。當(dāng)加熱溫度低于140 ℃時(shí)，熱壓腔體易堵塞，影響出料。溫度高于230 ℃時(shí)，出料為粉末狀，無(wú)法成型。綜合考慮，在此范圍內(nèi)選取加熱溫度分別為150、175、200 ℃。

1.3.3 瞬態(tài)熱分析求解設(shè)定

利用ANSYS中的Transient Thermal模塊，對(duì)出模階段進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，合理控制網(wǎng)格密度。成型塊與腔體接觸的表面采用Temperature邊界條件，施加恒定溫度載荷，分別為150 、175、200 ℃。其他表面與空氣進(jìn)行熱交換，采用Convection邊界條件，外界溫度22 ℃，換熱系數(shù)為0.025 W/（m·K），設(shè)置單載荷步，時(shí)間為60 s，子步為10，遞增求解。

1.3.4 結(jié)果分析

紅松、水曲柳成型塊溫度分布如圖5所示。其中，紅松的菱形成型塊如圖5（a）—圖5（c）所示，水曲柳的菱形成型塊如圖5（d）—圖5（f）所示，紅松的圓柱成型塊如圖5（g）—圖5（i）所示，水曲柳的圓柱成型塊如圖5（j）—圖5（l）所示。圖5（a）、圖5（d）、圖5（g）和圖5（j）的加熱溫度為150 ℃；圖5（b）、圖5（e）、圖5（h）和圖5（k）的加熱溫度為175 ℃；圖5（c）、圖5（f）、圖5（i）和圖5（l）的加熱溫度為200 ℃。對(duì)菱形和圓柱型成型塊切去1/4，便于觀(guān)察成型塊內(nèi)部溫度。

在相同加熱條件下，通過(guò)對(duì)比分析相同樹(shù)種，不同構(gòu)型的成型塊溫度分布，如圖5所示。由圖5可知，圓柱型成型塊中心溫度高于菱形成型塊中心溫度。說(shuō)明圓柱型成型塊加熱情況較好。因此，選擇構(gòu)型為圓柱型。

在相同加熱條件下，通過(guò)對(duì)比分析不同樹(shù)種，圓柱型成型塊溫度分布，如圖5（g）和圖5（j）、圖5（h）和圖5（k）、圖5（i）和圖5（l）所示。紅松成型塊中心溫度低于水曲柳成型塊中心溫度。因此，加熱溫度達(dá)到紅松木質(zhì)素軟化條件即可。

通過(guò)對(duì)比分析不同加熱溫度下，紅松圓柱型塊溫度分布，如圖5（g）、圖5（h）和圖5（i）所示。在150 ℃加熱下，圖5（g）中心溫度為78.57 ℃，溫度較低，木質(zhì)素軟化情況較差。175 ℃加熱下，圖5（h）中心溫度為94.70 ℃，木質(zhì)素軟化情況較佳；200 ℃加熱下，圖5（i）中心溫度為112.52 ℃，木質(zhì)素軟化情況較佳，但200 ℃能耗較大。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，選擇最佳加熱溫度為175 ℃。

1.3.5 參數(shù)驗(yàn)證

成型溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中的主要參數(shù)為成型塊芯部溫度值。因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)值和模擬值，來(lái)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。利用測(cè)溫儀對(duì)不同加熱溫度下的2種成型塊，依次測(cè)量其芯部溫度值，多次測(cè)量取平均值如圖6所示。

由圖6可知，在加熱溫度相同情況下，圓柱型成型塊的芯部溫度測(cè)量值高于菱形塊芯部溫度值。說(shuō)明圓柱型成型塊內(nèi)部加熱情況優(yōu)于菱形塊。因此，成型構(gòu)型選擇圓柱型，該結(jié)果與模擬結(jié)果一致。而成型塊芯部溫度實(shí)測(cè)值與模擬值存在誤差，約為4～5 ℃。這是由于在模擬過(guò)程中，將腔體視為與外界無(wú)熱量交換，不考慮熱損耗，故模擬值比實(shí)測(cè)值偏高，但誤差較小，對(duì)總體分析產(chǎn)生影響較小。因此，在考慮誤差的情況下，芯部溫度模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。

2 壓頭熱固耦合分析

通過(guò)成型構(gòu)型和加熱溫度優(yōu)化分析，確定壓頭截面為圓形，工作溫度為175 ℃。該溫度為壓頭熱固耦合分析所需設(shè)定條件，探究在高溫條件下，壓頭的強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足工作條件。林木剩余物成型塊溫度場(chǎng)分析與壓頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化之間的關(guān)系，如圖7所示。

2.1 熱固耦合有限元分析

熱壓頭在溫度場(chǎng)條件下受到恒定載荷的作用。因此，需要對(duì)其進(jìn)行熱固耦合分析。在溫度場(chǎng)和靜力場(chǎng)的綜合作用下，對(duì)熱壓頭進(jìn)行強(qiáng)度校核。主要步驟為前處理、導(dǎo)入模型、材料設(shè)定和網(wǎng)格劃分。ANSYS中的熱固耦合采用間接耦合方式，通過(guò)Solid90單元先分析結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)。然后，將溫度場(chǎng)作為邊界條件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)之中，最后采用Solid186單元進(jìn)行熱應(yīng)力分析。熱壓機(jī)腔體結(jié)構(gòu)和壓頭簡(jiǎn)化模型如圖8所示。

通過(guò)對(duì)成型塊溫度場(chǎng)分析，最佳溫度為175 ℃。因此，條件設(shè)定溫度為175 ℃，工作壓力為20 MPa。壓頭直徑與成型塊直徑相匹配設(shè)置為120 mm，厚度設(shè)置范圍為20～30 mm為宜。材質(zhì)采用鈦合金，具有輕質(zhì)、耐高溫、高強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在175 ℃條件下，鈦合金材料參數(shù)見(jiàn)表2。

利用ANSYS中的 Steady-State Thermal 模塊，對(duì)壓頭進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及材料設(shè)定。導(dǎo)入模型后，將模型賦予鈦合金材料。為提高結(jié)果精度，在ANSYS的前處理Design Model模塊中對(duì)模型進(jìn)行切分。再利用六面體網(wǎng)格主導(dǎo)加映射對(duì)模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示，共得到82 047個(gè)節(jié)點(diǎn)和18 586個(gè)單元。

由圖9（b）可知，該條件下的壓頭溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)梯度且均勻分布，符合實(shí)際工況，為下一步壓頭熱固耦合及壓頭優(yōu)化提供依據(jù)。

2.2 壓頭熱固耦合分析

壓頭模型經(jīng)過(guò)溫度場(chǎng)求解完畢后，將處理結(jié)果傳遞至靜力學(xué)分析模塊中，利用Static Structural模塊對(duì)壓頭進(jìn)行熱固耦合分析。進(jìn)入求解設(shè)定后，將溫度場(chǎng)載荷導(dǎo)入至靜力學(xué)分析模塊，在壓頭大徑表面施加20 MPa壓力，小徑端固定約束。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，壓頭溫度場(chǎng)等效應(yīng)力云圖、變形云圖，如圖10所示。

通過(guò)對(duì)壓頭熱固耦合結(jié)果分析，由圖10（a）可知，壓頭在175 ℃的條件下，受20 MPa載荷作用下的最大應(yīng)力為383.76 MPa，小于材料的屈服極限，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由圖10（b）可知，最大變形量為0.16 mm，變形量較小，滿(mǎn)足工作要求。因此，壓頭在受高溫載荷和壓力載荷的雙重作用下，其強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足實(shí)際工作條件，為進(jìn)一步對(duì)壓頭優(yōu)化提供前提條件。

3 熱壓頭的多目標(biāo)優(yōu)化分析

3.1 溫度和壓頭厚度對(duì)壓頭性能綜合影響

在林木剩余物熱壓成型過(guò)程之中，影響壓頭綜合性能的主要因素為工作溫度和壓頭厚度。因此，探究壓頭厚度改變?cè)跍囟纫蛩氐挠绊懴拢瑝侯^強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，為實(shí)際加工提供依據(jù)。

3.1.1 條件設(shè)定

綜合考慮熱壓過(guò)程實(shí)際工作要求，溫度設(shè)置范圍為150 ～175 ℃。壓頭厚度設(shè)置為20～30 mm。靜力場(chǎng)條件不變，采用Latin hypercube sampling design抽樣法。自變量設(shè)置為溫度和壓頭厚度，因變量設(shè)置為變形量和應(yīng)力值進(jìn)行分析處理。

3.1.2 結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理分析，求解得出溫度和壓頭厚度與壓頭變形的關(guān)系圖，如圖11（a）所示。溫度和壓頭厚度與壓頭應(yīng)力關(guān)系如圖11（b）所示。

由圖11（a）可知，當(dāng)溫度恒定時(shí)，改變壓頭厚度，變形量變化較為明顯。當(dāng)壓頭厚度恒定時(shí)，改變壓頭工作溫度，變形量變化較小。因此，溫度的變化對(duì)壓頭工作時(shí)的影響較小，符合熱壓特性，滿(mǎn)足實(shí)際工況要求。其中，最大變形量較小，未超過(guò)0.28 mm，不影響加工過(guò)程的正常運(yùn)行。因此，壓頭的剛度滿(mǎn)足要求。

由圖11（b）可知，當(dāng)壓頭厚度恒定時(shí)，溫度的改變對(duì)壓頭應(yīng)力值的影響較小，符合熱壓特性，滿(mǎn)足實(shí)際工況要求。最大應(yīng)力不超過(guò)560 MPa，小于許用應(yīng)力600 MPa。因此，壓頭強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。綜合分析可知，壓頭厚度變化對(duì)壓頭的綜合性能的影響較大，溫度的變化對(duì)壓頭的影響較小，驗(yàn)證了材料選取的合理性，滿(mǎn)足熱壓條件。因此，對(duì)壓頭厚度進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 壓頭優(yōu)化分析

利用ANSYS中的Response Surface Optimization模塊對(duì)壓頭進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，計(jì)算最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，即最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)置質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)。采用Latin hypercube sampling design法，得出輸出變量：最大等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)變、最大變形和質(zhì)量。抽樣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，壓頭厚度在20～30 mm時(shí)，應(yīng)變和變形量相差不大，最大等效應(yīng)力區(qū)別較大，都滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。在優(yōu)化分析設(shè)置時(shí)，設(shè)置輸出變量?jī)?yōu)先級(jí)，壓頭質(zhì)量設(shè)置為高級(jí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出3組最優(yōu)解見(jiàn)表4。因此，選擇20.002 mm作為壓頭最終優(yōu)化厚度。

壓頭經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析后，和優(yōu)化前對(duì)比分析數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

在優(yōu)化前后考慮ANSYS計(jì)算誤差情況下，由表5可知，優(yōu)化后壓頭的最大變形量為0.277 9 mm，變形量較小，剛度滿(mǎn)足條件。質(zhì)量為1.300 7 kg，較優(yōu)化前質(zhì)量減輕0.508 9 kg。最大等效應(yīng)力為553.023 4 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，符合實(shí)際工況要求。因此，壓頭厚度最佳值為20.002 0 mm，但結(jié)合實(shí)際加工難度情況，最終設(shè)計(jì)選擇壓頭厚度為20 mm。優(yōu)化前后壓頭重量減少27.8%，達(dá)到了降低生產(chǎn)成本，結(jié)構(gòu)輕量化的目的。

4 結(jié)論

1）林木剩余物成型溫度場(chǎng)類(lèi)型分析屬于三維瞬態(tài)熱分析。通過(guò)對(duì)林木剩余物熱壓成型出模階段溫度場(chǎng)分布模擬分析，最終選定成型塊構(gòu)型為圓柱型，最佳加熱溫度為175 ℃。

2）對(duì)壓頭進(jìn)行熱固耦合分析，壓頭的強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足條件。壓頭厚度對(duì)變形量和應(yīng)力值的影響較大。

3）在強(qiáng)度剛度滿(mǎn)足工作條件下，對(duì)壓頭厚度尺寸優(yōu)化，確定壓頭厚度為20 mm，優(yōu)化前后壓頭重量減少27.8%，達(dá)到降低成本，結(jié)構(gòu)輕量化目的，為實(shí)際加工提供參考。

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