秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建.doc

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秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

摘要：针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状，该文从生物质组成角度，特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量，温度的上升会造成木质素的软化，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响，是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响，运用内时理论，以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象，构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论，推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数，运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较，基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示，向秸秆中添加20%的木质素，可有效提高其塑性流动性能，降低其在相同应变下的应力以及生产能耗；当成型温度在100～115℃之间，应变率在1×102～1×103s-1之间，对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。

引言

生物质颗粒成型是解决其收集、运输和储藏这一难题的关键技术之一[1-2]。目前生物质成型的主要方法有活塞冲压式、螺旋挤压式、环模挤压式和平模碾压式，这些方法各有自己的优点和缺点，得到了广泛的应用[3]。

关于生物质成型机理的研究也取得了很大的进展[4-5]。霍丽丽等[6]采用经典黏弹性理论和伯格斯松弛模型，建立了生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型，分别描述了不同阶段的成型规律。并借助于试验确定了木屑、棉秆和玉米秸秆等不同种类原料的力学模型参数。陶嗣巍等[7]在单轴压缩试验的基础上，研究了玉米秸秆粉粒体模压弹塑性本构方程，采用有限元大变形理论，建立了欧拉描述的有限元模型，同时考虑了刚体转动对塑性压缩成型的影响。郑晓等[8]将经典线性黏弹性应变、线性黏塑性应变和非线性黏塑性应变理论叠加得到菜籽与菜籽仁的流变非线性黏弹塑性本构模型，并运用模拟退火算法对本构模型参数进行反演求解。李汝莘等[9]通过卷压试验和应力松弛试验，以线性黏弹性理论中的经典伯格斯模型为基础，建立了卷压过程中碎玉米秸秆的流变本构方程，并用残数法对模型参数进行拟合。

这些研究大都以经典弹塑性理论为基础构建模型，或依靠试验建立压力和变形数学模型。经典弹塑性理论是以金属材料为基础的研究成果，而生物质的组成主要是纤维素、半纤维素和木质素，是典型耗散材料。在压缩过程中纤维在摩擦力和挤压力作用下会破裂，木质素会软化而变成熔融状[10-11]。此类模型没有反映生物质本身的特性和组织结构对成型性能的影响，特别是没有阐明颗粒间黏结力的产生的机理以及对成型流变过程的阻碍和促进作用。

生物质成型过程是挤压流和填隙流的混合过程，颗粒不断破裂，并将气体和水分挤出完成颗粒间间隙填充，同时木质素软化成熔融状，并黏附在颗粒上，在颗粒之间形成黏结力。整个变形过程是弹塑性体积应变和剪切应变的结合。本文以内时理论为基础，以单轴压缩试验为依据，通过内时度量的定义充分考虑生物质的构成，特别是木质素在高温和高压下的活化性能对生物质塑性流动性能的影响，建立热黏塑性本构模型。为进一步的有限元分析提供材料模型依据，进而提高成型设备的整体性能和生物质颗粒生产能力。

1热黏塑性本构模型

传统经典塑性理论是以屈服面为前体提出的，在建立本构方程必须确定屈服面是否存在。内时理论[12]是描述耗散材料的黏塑性过程即热力学不可逆过程的材料本构理论，它不以屈服面的存在与否为前提，但也并不排斥屈服面的存在。它用内时度量代替牛顿时间，在内时空间中对物体的的应力应变进行描述。内时度量与材料的内部结构和内变量有关系，而内变量在材料变形过程中都有自己的演化方程，运用内时理论可以将本构模型与材料的变形机理有机的结合起来。通过恰当合理的定义核函数和内时度量就可获得耗散材料本构关系[13]。

生物质是一种典型的耗散材料，它在成型过程中产生的黏塑性流变是不可逆热力学过程，至今对其屈服面的存在和屈服规则的定义没有得到一致认可。内时理论在建模过程中不需要对此问题进行回答，所以可充分考虑生物质本身的特性对成型性能的影响。生物质的主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中秸秆类生物质中纤维素和半纤维素占70%左右，木质素占17%～25%[14-15]。生物质压缩成型过程是被粉碎过的纤维素颗粒相互挤压、破裂和剪切填充的过程。颗粒的剪切和填充运动，会产生大量的热量，这些热量和填充压力给了木质素活化的能量，促使木质素软化和塑化，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力，随着材料的硬化小颗粒永久的黏结在一起。因此生物质成型过程要充分考虑木质素的特性和温度的影响，是一个典型的热黏塑体。对于热黏塑