基于ANSYS的生物质成型流变规律及进料螺杆模态特性研究

生物质资源非常丰富,其高效开发有助于改善生态环境、缓解能源供应紧缺现状。生物质成型技术使松散生物质原料致密化,为其它生物质能源综合利用技术提供原料供给。但目前该技术还存在成型流变过程研究不全面、成型质量参差不齐、成型设备关键部件使用寿命短、设备振动大等发展问题。开展相关生物质成型技术的研究对开辟能源利用新领域具有重要的意义。 本文以液压式生物质成型技术为研究对象,在对原料成型特性和成型机理深入理论研究与探讨的基础上,分析整个液压成型流变过程,提出原料流变演化模型；通过研究生物质原料与金属粉末和土体成型方面的相似之处,将流变学理论知识融入生物质原料成型过程研究中,针对原料流变不同成型阶段分别建立有限元分析的相关本构方程,并结合弹塑性力学、流变学、粘弹性力学等相关理论知识对成型过程进行数值模拟,得到生物质原料在成型过程中的流变规律、应力应变分布。研究发现,挤压原料在流变时外层位移滞后于中层位移,模具锥角处原料流动速度最慢、等效应力和摩擦力最大,模具存在应力集中。研究还发现原料在成型出模后,仍存有残余应力,这是原料在后期发生应力松弛和蠕变现象的原因。借鉴机械产品中改善应力集中问题的思路,提出模具改进方案,对模具锥角处倒圆角处理,改进后的成型模具在锥角处应力值减小,应力分布均匀,成型燃料品质改善。成型过程的理论分析和模拟对成型工艺的优化选择提供了理论依据。 螺杆是螺旋进料装置核心工作部件,是原料初始流变发生区,在设备运行过程中处于旋转的悬臂梁状态。本文运用Damell-Moll理论研究螺旋输送原理,采用ANSYS特有的APDL语言对螺杆进行参数化建模,并开发了螺杆参数化有限元专用分析程序。首先,对螺杆进行静力分析,研究发现应力在螺旋叶片上按层分布,从螺棱到螺槽,应力逐渐增大,在螺杆前端应力达到最大。其次,对螺杆部件进行模态分析,推导了螺杆进行模态分析时的运动方程及质量矩阵,得到螺杆一阶固有频率为49.536HZ,激振频率远小于一阶固有频率,螺杆在工作过程中能有效避开共振区,结构设计合理,从而为成型设备结构优化、可靠性分析奠定理论基础。