林木剩余物热成型温度场分布与压头优化研究

梁康哲 唐杰 王全亮

摘 要：利用熱压成型机对林木剩余物致密成型加工，可提高单位体积热值和燃烧利用率。通过林木剩余物成型温度场模拟分析，得到最佳温度值，以降低能耗。压头作为热压机核心构件，探究在高温高压下其强度是否符合要求，并对其结构进行优化。以红松（Pinus koraiensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）材料参数为基础，通过对成型块出模阶段温度场瞬态分析，确定最佳加热温度为175 ℃。以钛合金材料参数为基础，在该温度下对压头进行热固耦合分析，在20 MPa载荷作用，压头所受最大应力值为383.76 MPa，最大变形量为0.16 mm，强度和刚度满足条件。利用多目标优化分析，将压头厚度设为自变量，强度、变形量和质量为因变量进行优化。在强度和刚度满足工作条件下，确定压头厚度为20 mm，优化前后压头重量减少27.8%，进而达到降低成本，使结构轻量化目的。

关键词：林木剩余物；瞬态分析；压头；热固耦合；多目标优化分析

中图分类号：S776.034 文献标识码：A 文章编号：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

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（2572021BL02），黑龙江省自然科学基金优秀青年项目（YQ2023C025）。

第一作者简介：梁康哲，硕士研究生。研究方向为林业机械。E-mail： lkzlkyoung@163.com

*通信作者：王全亮，博士，副教授。研究方向为森工剩余物开发与高效利用。E-mail： wqlunt@126.com

引文格式：梁康哲，唐杰，王全亮.林木剩余物热成型温度场分布与压头优化研究[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

我国林木剩余物资源量巨大，种类繁多，但利用率较低。将林木剩余物作为清洁型可再生能源，对其利用具有广阔的前景。目前，我国电力仍面临短缺的难题，若将其燃烧产生的热量进行发电，具有可观的经济效益。但是，林木剩余物的直接燃烧利用，存在燃烧不充分现象。因此，通过对林木剩余物压缩成型，提升其堆积密度、体积能量密度的同时提升单位体积热值，达到充分燃烧的目的。林木剩余物压缩成型技术，在一定温度和压力作用下，利用木质素充当黏合剂，将松散的树枝和木屑等生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。成型后密度可达0.8～1.4 g/cm，体积压缩6～8倍，燃烧热值在16～21 MJ/kg左右，相当于中质褐煤，燃烧效率可达90%左右，热效率在45%以上，是煤炭的理想替代产品，不仅将林木剩余物能量利用最大化，还能解决运输中储存困难的问题。

目前，林木剩余物压缩成型方法根据是否采取加热，可分为冷压和热压，热压相较于冷压而言，是指在加热条件下，有利于木质素的析出和软化，熔融状态下更有利于原料间的黏合，使成型块不易开裂。产品质量也是推动清洁能源发展的先决条件。对林木剩余物热压成型利用，具有经济和生态双重效益。推动能源转型的同时，改善能源利用结构。发展可再生能源的同时，推动社会经济发展。林木剩余物压缩成型提升了对木材的利用率。因此，对林木剩余物热压成型利用的研究具有实际意义。

由于加热有利于木质素软化黏合，国内外学者对林木剩余物成型加热环境和材料传热研究较为关注。Song等 推导了热能平衡方程，并使用有限差分法模拟出温度分布，模拟结果得出温度模型与试验结果非常吻合。Tang等 模拟内部温度分布图，由云图得知随时间的推移，成型内部温度逐渐升高。Mikulandric＇ 等 考虑成型过程中的力学和热量因素，模拟受压过程的传热情况，分析出成型过程中，热损失占总能耗的10%～25%。因此，通过对成型温度场模拟，选择合适温度来减少能耗是十分必要的。

在热压过程之中，压头作为热压机的核心构件，在高温和压力作用下，其强度和刚度都会受到影响。因此，需要对压头进行热固耦合分析，探究压头的强度和刚度是否满足工作条件。本研究首先对林木剩余物成型块进行瞬态热分析，结合温度分布及节省能耗的条件下，选取最佳加热温度。即为压头热固耦合分析所需温度。经耦合分析，压头强度和刚度满足工作条件。为降低成本和结构轻量化，对压头进行多目标优化分析，将压头厚度设为自变量，强度、变形量和质量等因素为因变量。在压头强度和刚度满足工作条件的情况下，计算出压头最佳厚度，达到优化目的。1 林木剩余物成型块出模阶段温度场分析

1.1 成型过程及温度场类型分析

首先，原料进入腔体后，均匀地受到腔体内加热线圈的加热作用，热量通过内壁逐渐传递至成型块芯部，达到热平衡状态。移动压头进行压制。原料含水率12%，视为干颗粒。压制过程如图1所示。

通过对模型简化如图2所示，在笛卡尔坐标下林木剩余物燃料块三维瞬态传热微分方程为

式中：ρ为林木剩余物材料的密度，g/cm；C为林木剩余物材料的比热容，J/（g·℃）；k为林木剩余物材料的热传导系数，J/（cm·s·℃）；q为林木剩余物材料内部热源密度；T为外部温度，℃；t为传热时间，s。

在传热过程中，若将林木剩余物原料视为各向同性传热，则可将上式简化为

在柱坐标系中生物质燃料块所取的微元如图2所示，则其瞬态传热方程为

综上可知，林木剩余物原料成型升温所需热量为外部环境导入和自身内部热源之和。外部环境导入由加热线圈提供，林木剩余物原料自身并不产生热量。该成型传热为三维瞬态传热，故采用ANSYS中的Transient Thermal模块对其进行瞬态热分析，设定与腔体接触的表面采用Temperature边界条件，施加恒定温度载荷。未与腔体接触表面采用Convection边界条件。通过参数计算，模型简化，材料和工况设定，求解计算对成型块温度分布进行模拟。

1.2 温度场参数设定

由于林木剩余物种类繁多，本研究选取东北地区2种常见树种红松（Pinus koraiensis）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）。以这2种剩余物为原料，其含水率为12%。在热压过程中，原料的导热系数和比热会随温度发生变化。因此，根据这2树种的导热系数和比热随温度的变化关系，计算出具体数值，并作为成型块温度场参数设定。根据实验式（4）—式（7），对相关参数进行计算。导热系数及比热随温度变化曲线如圖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）为红松参数计算公式，式（6）和式（7）中为水曲柳参数计算公式。式（4）—式（7）中：k为导热系数，J/（cm·s·℃）；C为比热，J/（g·℃）；T为温度，℃。通过计算得出热传导系数及比热随温度变化值，见表1。

1.3 成型块温度场分布模拟

1.3.1 模型简化

成型块的温度分布，影响产品质量。因此，通过对不同构型成型块温度模拟，选取分布状况好的构型。常见构型为菱形块和圆柱型块，如图4所示。其中，菱形块边长和圆柱型块直径尺寸均为120 mm，厚度均为30 mm。

研究的对象为对称形状的成型块，受对称载荷作用。选用Thermal Solid实体单元类型，选用8节点平面热单元PLANE77，该热单元为2维度4节点热单元，每节点仅有1个自由度和温度。设置为轴对称类型，不考虑热压过程中林木剩余物原料内部的化学反应。

1.3.2 材料及工况设定

材料选用含水率为12%的红松和水曲柳剩余物，原料处于22 ℃常温，密度分别为0.5 g/cm和0.66 g/cm。导热系数及比热随温度变化设定见表1。当加热温度低于140 ℃时，热压腔体易堵塞，影响出料。温度高于230 ℃时，出料为粉末状，无法成型。综合考虑，在此范围内选取加热温度分别为150、175、200 ℃。

1.3.3 瞬态热分析求解设定

利用ANSYS中的Transient Thermal模块，对出模阶段进行瞬态热分析，合理控制网格密度。成型块与腔体接触的表面采用Temperature边界条件，施加恒定温度载荷，分别为150 、175、200 ℃。其他表面与空气进行热交换，采用Convection边界条件，外界温度22 ℃，换热系数为0.025 W/（m·K），设置单载荷步，时间为60 s，子步为10，递增求解。

1.3.4 结果分析

红松、水曲柳成型块温度分布如图5所示。其中，红松的菱形成型块如图5（a）—图5（c）所示，水曲柳的菱形成型块如图5（d）—图5（f）所示，红松的圆柱成型块如图5（g）—图5（i）所示，水曲柳的圆柱成型块如图5（j）—图5（l）所示。图5（a）、图5（d）、图5（g）和图5（j）的加热温度为150 ℃；图5（b）、图5（e）、图5（h）和图5（k）的加热温度为175 ℃；图5（c）、图5（f）、图5（i）和图5（l）的加热温度为200 ℃。对菱形和圆柱型成型块切去1/4，便于观察成型块内部温度。

在相同加热条件下，通过对比分析相同树种，不同构型的成型块温度分布，如图5所示。由图5可知，圆柱型成型块中心温度高于菱形成型块中心温度。说明圆柱型成型块加热情况较好。因此，选择构型为圆柱型。

在相同加热条件下，通过对比分析不同树种，圆柱型成型块温度分布，如图5（g）和图5（j）、图5（h）和图5（k）、图5（i）和图5（l）所示。红松成型块中心温度低于水曲柳成型块中心温度。因此，加热温度达到红松木质素软化条件即可。

通过对比分析不同加热温度下，红松圆柱型块温度分布，如图5（g）、图5（h）和图5（i）所示。在150 ℃加热下，图5（g）中心温度为78.57 ℃，温度较低，木质素软化情况较差。175 ℃加热下，图5（h）中心温度为94.70 ℃，木质素软化情况较佳；200 ℃加热下，图5（i）中心温度为112.52 ℃，木质素软化情况较佳，但200 ℃能耗较大。因此，综合考虑经济性，选择最佳加热温度为175 ℃。

1.3.5 参数验证

成型温度场模拟过程中的主要参数为成型块芯部温度值。因此，通过对比实测值和模拟值，来验证模拟的准确性。利用测温仪对不同加热温度下的2种成型块，依次测量其芯部温度值，多次测量取平均值如图6所示。

由图6可知，在加热温度相同情况下，圆柱型成型块的芯部温度测量值高于菱形块芯部温度值。说明圆柱型成型块内部加热情况优于菱形块。因此，成型构型选择圆柱型，该结果与模拟结果一致。而成型块芯部温度实测值与模拟值存在误差，约为4～5 ℃。这是由于在模拟过程中，将腔体视为与外界无热量交换，不考虑热损耗，故模拟值比实测值偏高，但误差较小，对总体分析产生影響较小。因此，在考虑误差的情况下，芯部温度模拟值与实测值较为接近，验证了模拟的准确性。

2 压头热固耦合分析

通过成型构型和加热温度优化分析，确定压头截面为圆形，工作温度为175 ℃。该温度为压头热固耦合分析所需设定条件，探究在高温条件下，压头的强度和刚度是否满足工作条件。林木剩余物成型块温度场分析与压头结构优化之间的关系，如图7所示。

2.1 热固耦合有限元分析

热压头在温度场条件下受到恒定载荷的作用。因此，需要对其进行热固耦合分析。在温度场和静力场的综合作用下，对热压头进行强度校核。主要步骤为前处理、导入模型、材料设定和网格划分。ANSYS中的热固耦合采用间接耦合方式，通过Solid90单元先分析结构的温度场。然后，将温度场作为边界条件导入结构之中，最后采用Solid186单元进行热应力分析。热压机腔体结构和压头简化模型如图8所示。

通过对成型块温度场分析，最佳温度为175 ℃。因此，条件设定温度为175 ℃，工作压力为20 MPa。压头直径与成型块直径相匹配设置为120 mm，厚度设置范围为20～30 mm为宜。材质采用钛合金，具有轻质、耐高温、高强度和耐腐蚀等优点。在175 ℃条件下，钛合金材料参数见表2。

利用ANSYS中的 Steady-State Thermal 模块，对压头进行稳态热分析。对简化后的模型进行网格划分及材料设定。导入模型后，将模型赋予钛合金材料。为提高结果精度，在ANSYS的前处理Design Model模块中对模型进行切分。再利用六面体网格主导加映射对模型进行划分，网格划分结果如图9所示，共得到82 047个节点和18 586个单元。

由图9（b）可知，该条件下的压头温度场分布呈现梯度且均匀分布，符合实际工况，为下一步压头热固耦合及压头优化提供依据。

2.2 压头热固耦合分析

压头模型经过温度场求解完毕后，将处理结果传递至静力学分析模块中，利用Static Structural模块对压头进行热固耦合分析。進入求解设定后，将温度场载荷导入至静力学分析模块，在压头大径表面施加20 MPa压力，小径端固定约束。经过计算后，压头温度场等效应力云图、变形云图，如图10所示。

通过对压头热固耦合结果分析，由图10（a）可知，压头在175 ℃的条件下，受20 MPa载荷作用下的最大应力为383.76 MPa，小于材料的屈服极限，满足强度要求。由图10（b）可知，最大变形量为0.16 mm，变形量较小，满足工作要求。因此，压头在受高温载荷和压力载荷的双重作用下，其强度、刚度满足实际工作条件，为进一步对压头优化提供前提条件。

3 热压头的多目标优化分析

3.1 温度和压头厚度对压头性能综合影响

在林木剩余物热压成型过程之中，影响压头综合性能的主要因素为工作温度和压头厚度。因此，探究压头厚度改变在温度因素的影响下，压头强度和刚度是否满足强度要求，为实际加工提供依据。

3.1.1 条件设定

综合考虑热压过程实际工作要求，温度设置范围为150 ～175 ℃。压头厚度设置为20～30 mm。静力场条件不变，采用Latin hypercube sampling design抽样法。自变量设置为温度和压头厚度，因变量设置为变形量和应力值进行分析处理。

3.1.2 结果分析

通过ANSYS对数据进行优化处理分析，求解得出温度和压头厚度与压头变形的关系图，如图11（a）所示。温度和压头厚度与压头应力关系如图11（b）所示。

由图11（a）可知，当温度恒定时，改变压头厚度，变形量变化较为明显。当压头厚度恒定时，改变压头工作温度，变形量变化较小。因此，温度的变化对压头工作时的影响较小，符合热压特性，满足实际工况要求。其中，最大变形量较小，未超过0.28 mm，不影响加工过程的正常运行。因此，压头的刚度满足要求。

由图11（b）可知，当压头厚度恒定时，温度的改变对压头应力值的影响较小，符合热压特性，满足实际工况要求。最大应力不超过560 MPa，小于许用应力600 MPa。因此，压头强度满足要求。综合分析可知，压头厚度变化对压头的综合性能的影响较大，温度的变化对压头的影响较小，验证了材料选取的合理性，满足热压条件。因此，对压头厚度进行优化。

3.2 压头优化分析

利用ANSYS中的Response Surface Optimization模块对压头进行多目标优化，计算最优设计点，即最佳设计方案。设置质量最小作为优化目标。采用Latin hypercube sampling design法，得出输出变量：最大等效应力、最大等效应变、最大变形和质量。抽样计算结果见表3。

由表3可知，压头厚度在20～30 mm时，应变和变形量相差不大，最大等效应力区别较大，都满足强度和刚度要求。在优化分析设置时，设置输出变量优先级，压头质量设置为高级，经过计算，得出3组最优解见表4。因此，选择20.002 mm作为压头最终优化厚度。

压头经过优化分析后，和优化前对比分析数据，见表5。

在优化前后考虑ANSYS计算误差情况下，由表5可知，优化后压头的最大变形量为0.277 9 mm，变形量较小，刚度满足条件。质量为1.300 7 kg，较优化前质量减轻0.508 9 kg。最大等效应力为553.023 4 MPa，小于材料的许用应力，满足强度要求，符合实际工况要求。因此，压头厚度最佳值为20.002 0 mm，但结合实际加工难度情况，最终设计选择压头厚度为20 mm。优化前后压头重量减少27.8%，达到了降低生产成本，结构轻量化的目的。

4 结论

1）林木剩余物成型温度场类型分析属于三维瞬态热分析。通过对林木剩余物热压成型出模阶段温度场分布模拟分析，最终选定成型块构型为圆柱型，最佳加热温度为175 ℃。

2）对压头进行热固耦合分析，压头的强度和刚度均满足条件。压头厚度对变形量和应力值的影响较大。

3）在强度刚度满足工作条件下，对压头厚度尺寸优化，确定压头厚度为20 mm，优化前后压头重量减少27.8%，达到降低成本，结构轻量化目的，为实际加工提供参考。

【参 考 文 献】

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