新型多头式秸秆成型设备的数值模拟与研制

【摘要】：生物质能是一种重要的可再生能源,而生物质秸秆又是生物质能的重要组成部分,生物质压缩成型技术能够让松散的生物质秸秆成型出燃料,从而能够更好地利用我国农村丰富的生物质秸秆资源。本论文的研究目的是研制一种能耗低、生产率高并适合在农村推广的生物质秸秆成型设备。现将本文的主要内容简介如下： 1、生物质秸秆压缩成型的有限元理论 研究生物质秸秆压缩成型的有限元理论是为了给有限元分析做好理论准备。秸秆成型过程是一个非线性的过程,本文在分析和比较了两种有限元方法的适用范围和优缺点后,选用了有限应变弹塑性理论来作为解决秸秆压缩成型的有限元计算方法。为了研究秸秆在压缩成型过程中的塑性变形理论,本文运用弹塑性力学的理论给出了生物质秸秆的屈服准则、硬化规律和流动法则,并在此基础上推导出了生物质秸秆的本构方程和基本方程。 2、生物质秸秆压缩成型过程的有限元分析 生物质秸秆压缩成型的有限元分析包括应力应变场分析和温度场分析,本文通过有限元仿真的结果来指导成型机的设计和研制。 通过对应力应变场的分析,得到了等效应力场和等效摩擦力场分布图、等效应变和X方向等效应变分布图。通过分析秸秆从开始进入到最后挤出成型腔整个过程的应力、摩擦力和应变的变化趋势,发现在成型腔的锥角处应力和摩擦力都达到了最大值,因此磨损也最严重,需要合理设计成型腔锥角的大小和长径比来解决此问题。 通过对温度场的分析,得到了在150℃,200℃,250℃的温度载荷下分别在0.3T,0.6T和1T时间结点处的温度场云图,并分析了在以上不同情况下秸秆内部的温度场,随着温度载荷的升高,秸秆的整体温度也会升高,并且在250℃温度载荷下,秸秆内部的木质素均已软化和熔融,此时成型效果最佳,能耗最小。 3、成型机的总体设计 通过分析成型设备的应用场合、使用要求和功能要求,按照主要设计指标的要求对成型机进行设计,主要包括：喂料预挤压系统、加热系统、成型系统和冷却保型系统。采用两个挤压辊子的相对转动来实现预挤压,通过远红外线对系统加热,对成型腔进行了具体的受力分析和参数选择,并对液压系统进行了设计。在比较目前已有的成型装备基础上,创新性地提出了多头挤压式的秸秆成型机,提高了生产效率,降低了能耗。并在以上基础上,对成型机的总体结构进行了设计,分析了整个成型机的工作流程。 4、成型燃料的物理品质评价 对成型燃料进行物理品质的评价也是研究的重点内容之一,因为它将直接影响成型燃料的贮存、运输和使用性能。在秸秆的物理品质中主要考察秸秆的松弛密度和耐久性,本文通过实验得到了成型温度和含水率与松弛密度及耐久性的关系曲线,并得出了如下结论： 在不同的原料含水率和不同的成型温度下,生物质成型燃料的松弛密度有较大的差异,根据原料含水率和成型温度与松弛密度的关系曲线,分析了它们与松弛密度之间的变化关系,在成型温度为220℃,含水率约为12%时,成型燃料具有较高的松弛密度。 在不同的原料含水率和不同的成型温度下,生物质成型燃料的耐久性也有较大的差别,通过分析原料含水率和成型温度与耐久性的关系曲线,发现成型温度越高,抗跌碎和抗渗水的能力就越差,含水率在10%左右时,成型燃料具有较好的抗跌碎性能和抗渗水性。 【关键词】：多头 秸秆 成型设备 数值模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.1.1 生物质能利用的重要性11
• 1.1.2 我国生物质能资源利用现状11-12
• 1.1.3 生物质秸秆压缩成型技术的重要性12
• 1.2 生物质秸秆压缩成型理论研究现状12-14
• 1.2.1 生物质秸秆的成型机理12-13
• 1.2.2 影响生物质秸秆压缩成型的主要因素13-14
• 1.3 生物质秸秆压缩成型技术研究现状14-16
• 1.3.1 生物质压缩成型工艺14-15
• 1.3.2 生物质压缩成型设备15-16
• 1.4 本论文的主要研究内容16-19
• 第二章 生物质秸秆成型过程的有限元理论19-31
• 2.1 秸秆成型过程的非线性有限元理论19-20
• 2.2 生物质秸秆塑性变形理论20-26
• 2.2.1 屈服准则21-23
• 2.2.2 硬化规律23-25
• 2.2.3 流动法则25-26
• 2.3 本构方程26-28
• 2.4 基本方程28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 生物质秸秆压缩成型过程的有限元模拟31-49
• 3.1 有限元理论与ANSYS软件概述31-32
• 3.1.1 有限元法的基本思想和特点31-32
• 3.1.2 ANSYS软件的一般分析过程32
• 3.2 秸秆压缩成型过程的应力应变场数值模拟32-39
• 3.2.1 应力应变场的分析步骤32-36
• 3.2.2 应力应变场的结果分析36-39
• 3.3 秸秆压缩成型过程的温度场数值模拟39-46
• 3.3.1 温度场有限元分析的基本理论39-40
• 3.3.2 温度场的分析步骤40-42
• 3.3.3 温度场的结果分析42-46
• 3.4 本章小结46-49
• 第四章 生物质秸秆成型机的结构设计49-61
• 4.1 成型机设计的总体思路和目标49-50
• 4.1.1 总体思路49
• 4.1.2 主要技术指标49-50
• 4.2 预挤压系统的设计50-51
• 4.3 加热系统51
• 4.4 成型模具的设计计算51-54
• 4.4.1 成型腔的受力分析51-53
• 4.4.2 成型模具参数设计53-54
• 4.5 液压系统的设计54-56
• 4.6 成型机工艺流程及总体结构设计56-59
• 4.6.1 成型机的工艺流程56
• 4.6.2 成型机的总体结构56-59
• 4.7 本章小结59-61
• 第五章 生物质秸秆成型燃料的品质评价61-71
• 5.1 成型燃料品质评价概述61
• 5.2 成型燃料的松弛密度61-66
• 5.2.1 实验方法62
• 5.2.2 实验数据处理及结果分析62-66
• 5.3 成型燃料的耐久性66-70
• 5.3.1 实验方法66-67
• 5.3.2 实验数据处理及结果分析67-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果77-79
• 致谢79

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