玉米秸秆力学模型及压缩成型设备研究

本文以发展秸秆固化成型技术为背景,研究玉米秸秆力学模型、机械力学特性和压缩成型设备,为秸秆综合化工业规模利用提供技术支持。本文研究工作属于国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造技术领域“秸秆收集固化成型关键技术及装备”的部分内容,主要研究内容及成果如下： (1)玉米秸秆主要由皮、髓、节等部分组成,且各部分具有不同的物理特性和力学特性。本文以玉米秸秆为研究对象,将其抽象为皮、髓、节结构的杆,且各部分均由横观各向同性材料组成,建立了玉米秸秆皮、髓、节三种不同材料复合而成的横观各向同性力学模型。利用复合材料力学理论和弹性理论对该模型进行理论分析,得出了用位移表示的平衡方程组,并判定该方程组为二阶线性偏微分方程组。对偏微分方程的三种求解方法进行了对比,确定有限元法为最佳求解方法。 (2)从复合材料力学理论出发,通过传统工程材料试验方法,对玉米秸秆皮、髓、节及整秆进行了拉伸、压缩、弯折等力学性能试验,得出了其载荷一位移曲线。利用数据处理软件处理所得数据,得出了玉米秸秆皮、髓、节及整秆的抗拉弹性模量、抗压弹性模量、抗弯弹性模量、最大抗拉强度、最大抗压强度、最大抗弯强度等弹性参数的平均值和标准差。对于无法测定的横观各向同性材料本构关系的弹性常数,采取比拟选取的方法和结合其他生物材料的特点和参数来选择,分别确定了玉米秸秆皮、髓、节及整秆的弹性常数。 (3)以玉米秸秆髓平均几何尺寸建立髓几何模型,对玉米秸秆髓在横向均布载荷作用下进行有限元模拟,得出了髓的等效应力云图和位移云图,结果表明：玉米秸秆髓中各处的应力均相等,同各向同性材料在均布载荷作用下的应力分布一致；应变沿径向从里到外应变依次增加,最外层应变最大,最里层应变基本为零。 以玉米秸秆的皮、髓平均几何尺寸建立整秆几何模型,简化为接触问题并进行静态大变形有限元模拟分析,得出了在横向均布载荷作用下的玉米秸秆皮和髓构成整秆的等效应力云图和位移云图,结果表明：最大等效应力区域发生在玉米秸秆皮与髓结合处的皮上,髓上的等效应力基本不变,并且等效应力在皮髓结合处有一个突变。玉米秸秆皮上的等效应力沿径向由里向外依次减小,玉米秸秆整秆应变沿径向由内到外从零开始依次增加,最大应变发生在皮髓结合处的皮上。 (4)根据生产条件、加工要求和相关技术指标进行系统功能分析和总体结构的设计,确定新型秸秆成型机为液压活塞式成型机。对关键成型部件及物料在压缩成型过程中进行力学分析。在整个秸秆压缩过程中,根据原料在成型模具中所处的不同状态可以将其划分为四个区域：供料区、压紧区、成型区和保型区,可相应地把压缩成型特性曲线划分为四个阶段：松散阶段、过渡阶段、压紧阶段和推移阶段。并对成型模具进行了宏观和微观受力分析,确定新型秸秆压缩成型机成型模具大端半径R为1OOmm,小端半径r为70mm,成型锥角为6°,锥长280mm,保型筒长度为200mm。采用快速重磨可换式硬质合金材料制作而成的切断刀,大大提高了切断刀使用寿命,降低了能耗和单位成本。对液压系统进行了设计计算,拟定了液压系统原理图,并对液压系统各元件进行设计计算和选择。