0、引言
壓縮腔內(nèi)套筒是生物質(zhì)液壓壓塊機(jī)的關(guān)鍵部件。生物質(zhì)在擠壓成型時(shí)，對(duì)套筒的破壞最為嚴(yán)重，為了降低損傷，在套筒內(nèi)安裝襯套。實(shí)踐證明：安裝襯套可顯著提高套筒的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。目前，雖有學(xué)者做過(guò)相關(guān)分析，但沒(méi)考慮襯套的作用，而是將襯套與套筒作為一個(gè)零件進(jìn)行分析。本文將襯套與套筒作為接觸問(wèn)題進(jìn)行分析，力求如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況，以便對(duì)套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)，這對(duì)于增加其強(qiáng)度和壽命有著重要意義。
1、空間力學(xué)分析
生物質(zhì)在擠壓過(guò)程中，因受壓縮腔錐形口的作用，沿徑向發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生垂直于接觸面的壓力。錐形腔處不同位置發(fā)生的徑向變形不同，所受壓力的大小也不相同，故難以準(zhǔn)確測(cè)定。由于變形的軸對(duì)稱性，彈性體只在），方向（軸向）和x方（徑向）產(chǎn)生位移。
2、建立有限元模型
2.1 計(jì)算模型
鑒于套筒結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可將其視為三維軸對(duì)稱問(wèn)題。選擇y軸為對(duì)稱軸，X向?yàn)樘淄舶霃椒较颍@樣X(jué)Y平面上的像素繞1，軸旋轉(zhuǎn)3600，即成為軸對(duì)稱實(shí)體。對(duì)軸對(duì)稱實(shí)體進(jìn)行分析時(shí)，可以用其截面表示，即將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題求解。根據(jù)生產(chǎn)及試驗(yàn)情況，取長(zhǎng)50mm、直徑66mm的木屑作為研究對(duì)象。預(yù)壓縮腔內(nèi)徑為66mm，套筒外徑為100mm，錐形腔長(zhǎng)度為40mm。
2.2單元選擇和材料特性
因壓縮成型過(guò)程中主要涉及結(jié)構(gòu)問(wèn)題，若不考慮摩擦熱，可采用ANSYS中的PLANE82板單元。該單元是8節(jié)點(diǎn)高階二維單元，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力，能較好地模擬生物質(zhì)壓縮過(guò)程。采用TARGE169作為目標(biāo)單元，因CONTA172有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，能進(jìn)行非線性分析，故選用CONTA172作為接觸單元。襯套與套筒接觸，雖未發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，但也需要建立接觸對(duì)，同樣采用TARCE169作目標(biāo)單元（外部套筒），CONTA172作接觸單元（內(nèi)部襯套）。
采用手動(dòng)控制網(wǎng)格劃分，木屑、襯套和套筒沿x和)，向的單元長(zhǎng)度均為2mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。2.3邊界條件和載荷施加
在成型構(gòu)件一端施加固定約束，套筒外部和木屑的左邊施加關(guān)于y軸的對(duì)稱約束，同時(shí)鋸末頂端施加)，向位移。該問(wèn)題屬于大變形問(wèn)題，故選擇SO'LCONTROL中的大變形選項(xiàng)。由于相鄰表面間存在接觸摩擦，涉及的問(wèn)題較為復(fù)雜，為了便于收斂，求解前做有利于收斂的設(shè)置，如使用足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)以及設(shè)置合適的接觸剛度。其中，接觸剛度是同時(shí)影響計(jì)算精度和收斂性的重要參數(shù)，本文設(shè)置接觸剛度值為1.0。
3、有限元計(jì)算
3.1有限元基本方程
鋸末在擠壓時(shí)發(fā)生彈塑性變形，根據(jù)文獻(xiàn)彈一塑性理論可得總的應(yīng)變?cè)隽颗c彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的關(guān)系，即
3.2計(jì)算結(jié)果與分析
1)圖4是在0.5T時(shí)刻襯套及套筒的接觸應(yīng)力等值線圖。此時(shí)生物質(zhì)在應(yīng)力的作用下，已將整個(gè)錐形腔填滿。
由圖4(a)和圖4(b)可清楚地看到，有襯套時(shí)結(jié)構(gòu)所受接觸應(yīng)力更為均勻，且接觸應(yīng)力最大值為50. 3MPa，小于無(wú)襯套結(jié)構(gòu)的50. 9MPa。這是因?yàn)橐r套的作用使接觸面積增加，從而受力更加均勻；其次，圖4(b)的套筒屬于厚壁筒，受內(nèi)壁局部最大應(yīng)力的限制，使大部分材料得不到充分利用。襯套與套筒的材料以及物理特性不同，同樣導(dǎo)致受力以及力的傳遞有所不同。
2)圖5(a)和圖5(b)為有襯套時(shí)和無(wú)襯套時(shí)位置相同點(diǎn)生物質(zhì)所受到的y方向反力與y方向位移關(guān)系曲線。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以看出，有襯套的位移與反力變化曲線的較為平緩，這是因?yàn)橐r套與套筒的間隙抵消了一部分沖擊載衙，起到了緩沖作用。
對(duì)比力的最大值還可以看出，有襯套時(shí)生物質(zhì)某點(diǎn)所受最大的力(3 700N)小于無(wú)襯套時(shí)的同一點(diǎn)所受的最大力(4 100N)。因此可知：鋸末在擠壓成型時(shí)，有襯套時(shí)受的力小于無(wú)襯套時(shí)所受的力，有襯套的能耗較小，這與實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)基本一致。
4、結(jié)論
1)分析表明，有襯套結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較無(wú)襯套結(jié)構(gòu)的均勻，最大應(yīng)力小于無(wú)襯套結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。這與試驗(yàn)結(jié)果定性一致，且約束部位支反力平衡，說(shuō)明本文采用的分析方法是可行的。
2)有襯套時(shí)，鋸末在擠壓時(shí)比無(wú)襯套所受的力更加均勻，并且所受的力要小于無(wú)襯套時(shí)鋸末所受的反力，進(jìn)而導(dǎo)致前者能耗小與后者，這與生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。
