基于离散元的沙柳细枝颗粒致密成型过程力链传递研究

高雨航，孙秀茹

(烟台黄金职业学院，山东 烟台 265400)

世界化石能源资源量有限，消费量逐年增加，且燃烧过程释放的有害气体对环境污染日益加剧，因此，世界各国学者正研究和探索新能源[1]。相比其他种类能源，生物质能是一种绿色无污染的可再生能源。沙柳作为我国西北部沙漠地区造林面积最大的树种之一，具有“平茬复壮”的生物习性，是发展生物质成型燃料可依赖的重要原料资源，对其进行致密压缩处理，可以缓解我国的能源短缺问题，对环境保护具有重要意义[2]。

沙柳细枝的细胞构造和排列方式等决定了其力学性质多表现为各向异性[3]，致密成型前呈离散状态。在其由松散到致密的形态转变过程中，颗粒固化黏结成棒状燃料，用连续体力学分析方法很难确切研究。因此，采用离散元方法来模拟沙柳细枝颗粒致密成型过程更接近实际，而力链不仅是宏观颗粒体系的细观力学行为，也是外载荷的传递路径[4]。笔者采用离散元方法，对沙柳细枝颗粒致密成型过程中力链的传递规律进行研究，以期为生物质固化成型技术的发展提供新的途径。

1 理论基础

离散单元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，提出的一种颗粒物料细观力学分析方法[5]。由于沙柳颗粒力学本构模型具有黏弹特性，其颗粒运动发生碰撞时会产生显著的塑性变形，因此，选用软球模型(见图1)来描述颗粒间的接触模型。采用Hertz-Mindlin(no-slip)接触模型模拟沙柳颗粒致密成型过程[6]。

图1 软球模型

2 离散元仿真

为促使沙柳颗粒更容易进入成型腔内，成型模具进料口处应有一定锥度，而锥度的大小与成型燃料的密度和模具的寿命有关。当模具开口锥度为45°时，进料锥面所受应力较小[7]。因此，本次试验选用45°锥角的模具，模具尺寸参数如图2a所示。根据图2a中的尺寸参数和约束条件创建的离散元模型如图2b所示。

a.模具内腔 b.离散元模型

注:1.柱塞；2.进料口；3.成型腔；4.底部垫片

模拟时，选用粒径为0.5mm～3.5mm，用球形颗粒近视代替原物料，采用随机方式生成颗粒，生成完毕且达到稳定后进入待压缩状态。柱塞以100mm/min的速度匀速向下运动。设置仿真总时间为96s，即柱塞向下运动160mm。仿真网格尺寸为3Rmin(最小颗粒半径)。模拟开始后，每隔1s记录1次。

3 结果与讨论

3.1 轴向方向力链传递分析

轴向方向不同时间节点颗粒间接触力分布图如图3所示，图3(a)～3(f)按顺序分别对应于2s、16s、28s、40s、55s、85s时刻。图中横坐标代表轴向方向位置(其中，0点代表底部位置，正值为远离底部位置向上一侧)，纵坐标代表颗粒间接触力分布情况。在2s时，颗粒静止堆积，符合“粮仓效应”，重力有方向性地传播，最大接触力值出现在底部；在16s时，柱塞开始与物料接触，而底部颗粒由于重力的原因变形较大，最大接触力由两端向中心传递，最大接触力值位置逐渐经历由底部向顶部层变化的过程；在28s时，最大接触力基本保持由上向下逐渐降低的规律；在40s时，整个成型燃料接触力值保持接近；在55s时，最大接触力由顶部、底部向中心传递；在85s时，各部分接触力逐渐趋于平稳，且接触力值保持接近。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)图3 轴向方向颗粒间接触力分布

(a) (b) (c)图4 周向方向颗粒间接触力分布

3.2 周向方向力链传递分析

周向方向不同时间节点颗粒间接触力分布图如图4所示，图4(a)～4(c)按顺序分别对应于5s、50s、85s时刻。在5s时，颗粒体系在外载荷和重力作用下消除颗粒间空隙，各部分接触力值相近；在50s时，颗粒体系受力膨胀，成型模具外壁受到物料的冲击而提供给颗粒反作用力，最大接触力由左、右两端向中心传递；在85s时，各部分接触力逐渐趋于平稳，且接触力值保持接近。

4 结论

通过离散元方法对沙柳细枝颗粒致密成型过程中力链传递规律进行研究，得到轴向方向接触力从上向下传递后均匀分布，再从两端向中心传递后均匀分布的过程。周向方向接触力从均匀分布到边缘向中心传递，再均匀分布在颗粒体系内。