基于SolidWorks Simulation的生物質(zhì)蜂窩煤成型試驗(yàn)裝置有限元分析

寧廷州 馬時(shí)凱 侯書林

(1. 棗莊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 山東 棗莊 277160； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 3. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)問題越來越受到關(guān)注，尋找清潔可再生能源已成為重要的研究方向[1-3]。為了有效解決環(huán)境污染和能源過度消耗的問題，我們應(yīng)該合理地使用生物質(zhì)資源。生物質(zhì)能源具有原料豐富、放熱量大、污染較小等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，是一種很好的替代燃料。

運(yùn)用生物質(zhì)固化成型技術(shù)，可以將粉碎后的農(nóng)林廢棄物壓縮成固體燃料[7-9]。生物質(zhì)固化成型燃料大多為實(shí)心燃料，燃燒過程中與氧氣的有效接觸面積小，因此不利于充分燃燒。

基于以上問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種蜂窩狀生物質(zhì)固化成型燃料成型試驗(yàn)裝置，基于SolidWorks Simulation對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，底座通過底部的一字銷孔固定在萬能力學(xué)試驗(yàn)儀上，托板的下半部分壓在底座頂部的通槽中，成型模具利用底部的通槽壓在托板上，成型模具、托板和底座三者采用雙頭螺柱連接在一起。沖頭柱通過其頂部的一字銷孔和萬能力學(xué)試驗(yàn)儀連接在一起。

1 — 沖頭柱；2 — 沖針；3 — 成型模具；4 — 托板；5 — 底座；6 — 一字銷孔；7 — 雙頭螺柱；8 — 一字銷孔圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

工作時(shí)，將粉碎后的生物質(zhì)原料倒入成型模具內(nèi)，沖頭柱在萬能力學(xué)試驗(yàn)儀的作用下帶動(dòng)沖針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)成型模具內(nèi)的物料沖壓，由于沖頭柱上安裝有均布的5個(gè)沖針，而托板上加工有與沖頭柱上5個(gè)沖針相位對(duì)正的5個(gè)通孔，故可保證壓縮致密成型的燃料為蜂窩狀。待壓縮完成之后，由沖壓裝置再次對(duì)成型模具內(nèi)已經(jīng)致密成型的生物質(zhì)固化燃料進(jìn)行緩慢沖擊，得到成品。將雙頭螺柱擰松，將致密成型的生物質(zhì)固化燃料取出。

再次對(duì)粉碎后的生物質(zhì)原料進(jìn)行壓縮成型，重復(fù)上述操作過程。

2 有限元分析過程

(1) 選擇算例。打開SolidWorks Simulation，單擊新算例，選擇靜應(yīng)力分析并確定，如圖2所示。

圖2 算例(靜應(yīng)力分析)

(2) 選擇應(yīng)用材料。單擊應(yīng)用材料，在彈出的對(duì)話框中選擇合金鋼，單擊應(yīng)用并關(guān)閉對(duì)話框。應(yīng)用材料選擇界面如圖3所示。

圖3 應(yīng)用材料選擇界面

(3) 夾具選擇。單擊夾具中的固定幾何約束，選擇底座帶有銷孔的柱體及銷孔為約束面。其界面如圖4所示。

(4) 外部載荷選擇。在外部載荷中選擇壓力，選擇托盤上表面以及成型模具內(nèi)表面為受力面，輸入壓力為40 MPa[10]。其界面如圖5所示。

圖4 夾具選擇界面

圖5 外部載荷選擇界面

(5) 網(wǎng)格劃分。右擊網(wǎng)格，選擇生成網(wǎng)格，網(wǎng)格密度設(shè)置為良好，然后單擊確定，如圖6所示。

3 應(yīng)用結(jié)果分析

運(yùn)行算例，其應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果如圖7所示。

由圖7中的應(yīng)力圖可以看出，該實(shí)驗(yàn)裝置的最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力，受力可靠，底座受力較大，且在底座中間的過渡位置處受力最大。這是由于應(yīng)力集中所引起的，受到試驗(yàn)裝置以及萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的影響，受力面積不宜調(diào)整；因此,可以通過倒圓角的方法，減輕應(yīng)力集中的影響。由圖7中的應(yīng)變圖可知，應(yīng)變大的位置也是所受應(yīng)力較大的位置。由圖7中的位移圖可知，底座中間的過度位置位移最大，底座下部位移最小。

圖6 網(wǎng)格劃分

圖7 有限元分析結(jié)果

圖8 取點(diǎn)探測(cè)實(shí)物圖

圖9 取點(diǎn)探測(cè)折線圖

由圖8所示取點(diǎn)探測(cè)實(shí)物圖和圖9所示取點(diǎn)探測(cè)折線圖可以看出，除去由于應(yīng)力集中造成的小部分位置受力較大外，其他各部受力相對(duì)較均勻，裝置整體上符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

在本次研究中，設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)蜂窩煤成型試驗(yàn)裝置，并基于SolidWorks Simulation對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，得到了其在工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布云圖。研究結(jié)果表明，該試驗(yàn)裝置的最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力，受力可靠。除去應(yīng)力集中造成小部分位置受力較大以外，其他各部位受力相對(duì)較均勻，裝置整體上符合設(shè)計(jì)要求。