生物质固化成型特性及有限元研究

论文摘要

化石燃料作为我国主要的一次能源,具有不可再生性,在开发使用中造成了严重的环境污染和生态破坏。生物质能是一种重要的可再生能源,资源量大,分布广,其高效转化技术日益受到重视。生物质固化成型技术使松散生物质致密化,能显著提高生物质制品的性能,成为规模化利用生物质能源的一种有效途径,开展生物质固化成型技术研究对开辟能源利用新领域都有重要的意义。首先介绍了课题研究的背景及现状,阐述生物质存在体积大,能量密度低的特点,着重对生物质的压缩特性及成型影响因素进行分析,通过进行生物质含水率的成型试验,得到了最佳含水率范围。本文首次对生物质液压成型的压缩变形过程进行了有限元分析研究,研究中将液压成型过程分为三阶段并分别提出了在不同压缩成型阶段的成型机理。生物质成型属于非连续介质力学的研究范畴,由于其理论的不完善和局限性,将生物质视为“可压缩的连续体”来研究;分析了可压缩生物质塑性理论,运用生物质压缩成型的屈服条件,并考虑压缩成型中静水压力影响,建立起生物质成型的弹塑性本构方程。然后对生物质成型过程进行了有限元分析,采用TARGE169和CONTA172接触对恰当的处理了模具和成型材料的接触问题;合理确定了边界条件。通过有限元数值模拟分析得到了生物质的流变规律,结果表明生物质外层的流动明显滞后于中心。有限元分析结果揭示了成型中的应力应变演变过程和分布规律,对局部应力过大区域进行了分析,研究发现在成型腔锥角处存在应力集中,等效应变随相对密度的增大呈现一定的变化趋势;同时也得到了生物质成型过程的载荷变化规律。成型过程的分析研究对生物质成型工艺的选择优化具有很好的应用和参考价值。最后,本文研究了生物质成型进入挤出保型阶段,温度参数对生物质成型的影响。采用THERMAL模块中两种加热温度,获得了生物质成型温度场的分布情况,分析后表明在250℃条件下更具有优势,温度场分布较合理,能保证成型的效果,同时降低了系统能耗。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 主要符号表
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 有限元分析现状
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 生物质原料特性和液压成型过程研究
• 2.1 生物质的组成成分和压缩特性
• 2.1.1 生物质的组成成分
• 2.1.2 生物质的压缩成型特性
• 2.1.3 两类生物质压缩成型试验研究
• 2.2 生物质成型过程的影响因素
• 2.2.1 生物质种类
• 2.2.2 粒度和粒度分布
• 2.2.3 原料含水率
• 2.2.4 成型压力
• 2.2.5 加热温度
• 2.3 生物质的不同压缩方式和成型工艺
• 2.3.1 螺旋式成型机
• 2.3.2 活塞式成型机
• 2.3.3 模压颗粒成型机
• 2.3.4 不同压缩成型方式的比较
• 2.4 生物质成型试验及相关性能指标
• 2.4.1 木屑在不同含水率成型试验结果
• 2.4.2 成型的性能指标
• 2.5 成型机理研究
• 2.5.1 生物质液压成型过程及成型机理
• 2.5.2 预压缩阶段
• 2.5.3 主压缩阶段
• 2.5.4 成型块挤出阶段
• 2.6 本章小结
• 第3章 生物质成型有限元方法推导
• 3.1 成型过程有限元非线性分析
• 3.1.1 全量法（迭代法）
• 3.1.2 增量法
• 3.1.3 混合法
• 3.2 有限变形弹塑性有限元法
• 3.2.1 有限变形
• 3.2.2 生物质塑性变形理论
• 3.3 本构方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 生物质压缩成型过程模拟
• 4.1 有限元法基础
• 4.1.1 有限元基本知识
• 4.1.2 用有限元法求解问题基本思路
• 4.1.3 有限元软件ANSYS介绍
• 4.2 分析模型的建立
• 4.2.1 几何模型的确立
• 4.2.2 有限元模型的单元类型和材料属性
• 4.2.3 有限元网格的划分
• 4.2.4 接触单元的定义
• 4.3 施加约束、载荷求解
• 4.4 有限元计算结果及其分析
• 4.4.1 挤压变形对生物质流动的影响
• 4.4.2 节点位移场分布和位移矢量
• 4.4.3 挤压过程中等效静水压应力
• 4.4.4 等效应变场分布图
• 4.4.5 位移对生物质成型受力的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 热压成型温度场分析
• 5.1 温度场分析基本理论
• 5.1.1 基本传热方程
• 5.1.2 边界条件和初始条件
• 5.1.3 温度场的变分原理和有限元求解列式
• 5.1.4 温度参数的影响
• 5.2 有限元建模及边界条件处理
• 5.2.1 几何模型和材料属性
• 5.2.2 划分网格及边界条件确定
• 5.3 温度场模拟结果及分析
• 5.4 本章小结
• 全文总结及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表学术论文及参与项目
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表