基于SolidWorks Simulation的生物质蜂窝煤成型试验装置有限元分析

宁廷州 马时凯 侯书林

(1. 枣庄学院机电工程学院， 山东 枣庄 277160； 2. 中国农业大学工学院， 北京 100083； 3. 塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

经济快速发展带来的环境污染和能源浪费问题越来越受到关注，寻找清洁可再生能源已成为重要的研究方向[1-3]。为了有效解决环境污染和能源过度消耗的问题，我们应该合理地使用生物质资源。生物质能源具有原料丰富、放热量大、污染较小等优点[4-6]，是一种很好的替代燃料。

运用生物质固化成型技术，可以将粉碎后的农林废弃物压缩成固体燃料[7-9]。生物质固化成型燃料大多为实心燃料，燃烧过程中与氧气的有效接触面积小，因此不利于充分燃烧。

基于以上问题，我们设计了一种蜂窝状生物质固化成型燃料成型试验装置，基于SolidWorks Simulation对其进行有限元分析。

1 装置结构及工作原理

装置结构如图1所示。其中，底座通过底部的一字销孔固定在万能力学试验仪上，托板的下半部分压在底座顶部的通槽中，成型模具利用底部的通槽压在托板上，成型模具、托板和底座三者采用双头螺柱连接在一起。冲头柱通过其顶部的一字销孔和万能力学试验仪连接在一起。

1 — 冲头柱；2 — 冲针；3 — 成型模具；4 — 托板；5 — 底座；6 — 一字销孔；7 — 双头螺柱；8 — 一字销孔图1 试验装置示意图

工作时，将粉碎后的生物质原料倒入成型模具内，冲头柱在万能力学试验仪的作用下带动冲针上下往复运动，对成型模具内的物料冲压，由于冲头柱上安装有均布的5个冲针，而托板上加工有与冲头柱上5个冲针相位对正的5个通孔，故可保证压缩致密成型的燃料为蜂窝状。待压缩完成之后，由冲压装置再次对成型模具内已经致密成型的生物质固化燃料进行缓慢冲击，得到成品。将双头螺柱拧松，将致密成型的生物质固化燃料取出。

再次对粉碎后的生物质原料进行压缩成型，重复上述操作过程。

2 有限元分析过程

(1) 选择算例。打开SolidWorks Simulation，单击新算例，选择静应力分析并确定，如图2所示。

图2 算例(静应力分析)

(2) 选择应用材料。单击应用材料，在弹出的对话框中选择合金钢，单击应用并关闭对话框。应用材料选择界面如图3所示。

图3 应用材料选择界面

(3) 夹具选择。单击夹具中的固定几何约束，选择底座带有销孔的柱体及销孔为约束面。其界面如图4所示。

(4) 外部载荷选择。在外部载荷中选择压力，选择托盘上表面以及成型模具内表面为受力面，输入压力为40 MPa[10]。其界面如图5所示。

图4 夹具选择界面

图5 外部载荷选择界面

(5) 网格划分。右击网格，选择生成网格，网格密度设置为良好，然后单击确定，如图6所示。

3 应用结果分析

运行算例，其应力、应变和位移结果如图7所示。

由图7中的应力图可以看出，该实验装置的最大应力小于材料屈服应力，受力可靠，底座受力较大，且在底座中间的过渡位置处受力最大。这是由于应力集中所引起的，受到试验装置以及万能力学试验机的影响，受力面积不宜调整；因此,可以通过倒圆角的方法，减轻应力集中的影响。由图7中的应变图可知，应变大的位置也是所受应力较大的位置。由图7中的位移图可知，底座中间的过度位置位移最大，底座下部位移最小。

图6 网格划分

图7 有限元分析结果

图8 取点探测实物图

图9 取点探测折线图

由图8所示取点探测实物图和图9所示取点探测折线图可以看出，除去由于应力集中造成的小部分位置受力较大外，其他各部受力相对较均匀，装置整体上符合设计要求。

4 结 语

在本次研究中，设计了一种生物质蜂窝煤成型试验装置，并基于SolidWorks Simulation对其进行了有限元分析，得到了其在工作过程中的应力、应变和位移分布云图。研究结果表明，该试验装置的最大应力小于材料屈服应力，受力可靠。除去应力集中造成小部分位置受力较大以外，其他各部位受力相对较均匀，装置整体上符合设计要求。