基于离散元方法的玉米秸秆粉料压缩成型机理研究

发布时间：2020-07-29 21:37

【摘要】：每年田间均产出大量的玉米秸秆等生物质资源,但该类资源因利用困难大部分被浪费或就地焚烧,主要由于秸秆类资源具有密度低、运输不便、运输成本高等缺点,因此秸秆类资源的致密加工迫在眉睫。针对目前秸秆粉料成型机理不明确导致难以大范围推广秸秆压块机或制粒机的情况,本文进行了秸秆致密成型过程应力松弛过程力学行为的研究和成型机理分析,旨在进一步加深对秸秆成型过程的认识,为设计新型成型机构和模具提供理论基础。为了研究玉米秸秆粉碎后在单模孔模具内单向受压状态下的微观力学行为和成型机理,经分析后选择了适用于离散颗粒物料数值模拟的离散元方法来模拟该致密成型过程。本文的主要研究内容：(1)离散元方法理论研究与模型建立。研究了离散元方法的基本求解思路、颗粒间接触理论以及简化后的软球模型。参照单模孔致密成型试验建立了以软球模型来描述颗粒间接触的秸秆粉料颗粒体系的三维离散元模拟模型,该模型的边界约束条件与单模孔成型模具的几何边界条件及尺寸相一致,并且压缩加载条件一致。(2)模拟颗粒力学特性参数值的反求。在离散元模型中,粉料颗粒间的法向刚度系数kn,切向刚度系数ks以及摩擦系数μ的值是根据经验调试得出的取值范围,在该范围内取不同值时压缩力差距较大,因此利用人工神经网络进行多组离散元模拟结果的数据拟合,并进行参数值的反求。(3)验证性实验及参数分析。进行验证性单模孔成型试验,经数据比对与假设检验,认为离散元模拟数据与试验测试数据一致性较好。得出颗粒力学特性参数的最佳取值范围,分别为kn=(1.2～1.8)×104N/m,ks=(0.8～1.3)×104N/m,μ=0.10～0.12。(4)离散元方法的应用。通过分析离散元模拟得出的不同的压杆下压速度、压缩位移、成型腔孔径以及锥面锥角下的压缩与应力松弛曲线,压缩速度的影响可以忽略不计,建议成型模具选用孔径Φd=8mm,锥角θ=45°,并且应该尽量增大压杆压缩位移,来增加秸秆压块的稳定性。(5)对随机选取的颗粒单元和接触壁进行运动情况及受力分析。得出在致密成型过程中,停止加载后,成型块内部的粉料体系并不会立即停止运动,会发生应力松弛现象,直至达到平衡应力；成型过程中压杆端面与锥角受力较大,应提升其材料性能。本文基于人工神经网络反求参数和离散元方法的玉米秸秆粉料致密成型过程研究,为秸秆类生物质资源的成型机理研究及参数分析提供了一种新的有效的研究方法。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.2

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