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秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

来源: 发布时间:2019-06-09 1398 次浏览

  摘要:针对生物质颗粒燃料生产能耗高、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 固化成型性能更好。
  0引言
  生物质(material)颗粒燃料成型是解决其收集、运输和储藏这一难题的 关键技术之一[1-2]。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。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,建立了生物质能源颗粒成型的 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。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。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(process)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(gases)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(xìng néng)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燃料生产能力。
  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(model)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(compression)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。对于热黏塑体,应力可看作应变、应变率和温度的 历史泛函数。本构模型要反映温度、黏度、应变率对成型过程的 影响。
  1.1内时理论定义
  秸秆成型是在有固定实形的 模具里面完成的 ,主要发生体积应变,而塑性体积应变是由于孔隙体积变化、颗粒的 破裂后形态重新排列和粉体颗粒体积变化引起的 。形态重新排列会引起剪切应力,剪切应力造成颗粒新的 破裂和重排,并进一步引起体积应变,所以整个过程可看做是体积响应过程,而没有形状变化,可忽略偏斜应变。
  2木质素对塑性流动性能影响
  木质素是聚酚类三维网状高分子化合物,属于非晶体,没有固定的 熔点,在110℃左右会软化,160℃左右出现熔融态,超过200℃木质素开始热解气化[20]。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。木质素具有良好的 力学强度、流变性及较高的 化学兼容性,是天然优良的 添加剂和黏合剂。纤维素和半纤维素被粉碎后形成颗粒状,在成形过程(process)中颗粒进一步破裂微小颗粒,可将这些微小颗粒看作较大的 晶粒,而木质素的 黏结作用(role)可看做晶粒之间的 作用力。
  采用硫酸法在室温下测定玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸杆的 木质素质量分数分别为14.81%、20.16%和21.33%。运用101-0BS型电热鼓风恒温干燥箱对秸秆进行水分去除。然后采用电子称称一定质量的 秸秆,再按照质量比分别向3种粉碎过的 秸秆中添加水分和木质素。
  本文以碱性木质素为试验样品,碱性木质素为造纸业产生的 工业副品,具有较好的 热塑性。将木质素与秸秆粉粒进行混合。分别取未添加木质素的 秸秆、分别添加10%、20%和30%木质素的 秸秆进行成型试验,借助单轴压缩试验规范,测得不同种类秸秆固化成型应力应变值,如1所示。
  从1可看出,在成型前期应力并没有发生很大变化,主要是此阶段成型以空气排出和颗粒重新排列为主,颗粒没有发生大的 变形。当应变超过50%,随着木质素含量的 增加,应力出现了明显下降,此阶段木质素开始软化增加了秸秆颗粒的 流动性能。但对于添加30%木质素的 秸秆在应变74%~81%间出现应力上升,随后又下降。其原因是木质素的 增加提高了颗粒间的 黏结力,又阻碍了成型过程。随着成型进行由于温度的 升高木质素出现塑化并伴随进一步脆化,进而丧失了部分承载能力,应力出现下降。这与文献[20]描述的 木质素基热塑性材料的 力学性能相同。从1得出,按质量比添加20%木质素的 秸秆成型性能更好,在相同应变的 情况下,其更大应力相比原材料的 减小10MPa左右。
  根据文献[21]的 研究,在生物质固化成型过程由于摩擦力的 存在伴随着温度的 变化,当成型进行60min后,秸秆物料温度达到70℃;240min后,温度可稳定在110~125℃之间,此时成型性较好。由于温度对木质素的 特性影响非常明显,为进一步考察木质素对秸秆成型性能的 影响,对不同木质素含量的 秸秆成型过程产生的 温度进行测试,结果如2所示。由可知,木质素的 添加降低(reduce)了成型过程温度,220min后成型温度可相对稳定。木质素质量分数为29%玉米秸秆的 稳定成型温度为105~115℃,质量分数为33.5%的 小麦秸秆的 稳定成型温度为100~110℃。水稻秸秆成型温度变化与小麦秸秆相同。其原因是木质素软化提高了颗粒的 流动性能,内部摩擦减小了。进一步验证了热量不仅来自于生物质与成型模具(称号:工业之母)的 摩擦,还来自于生物质微小颗粒之间的 错位和剪切摩擦,适量添加木质素可降低秸秆成型过程的 能耗。而对于添加30%木质素的 生物质,在240min后出现了温度上升,其原因是大量木质素软化增加了颗粒间的 黏结力,阻碍颗粒的 流动性,这与1应力应变的 变化是相吻合的 。对于木质素含量超过40%的 小麦和水稻秸秆,在较高温度下会出现塑化而导致成型失败。
  通过试验得出木质素的 含量和性能特别是软化后产生的 黏性,对生物质(material)的 成型有显著的 影响。生物质成型过程会产生大量的 热量(Heat),是一个热黏塑成型过程。对于耗散材料(Material),经典热力学第二定律可写为[13]:
  3参数确定
  材料常数按照文献[18]、[23]中提出的 数值分析方法确定,并结合试验进行拟合校正。试验仪器为GDS固结试验系统。如3所示,通过对试验装置和试验原理的 改进,在此系统上分别进行一维蠕变试验和等应变率压缩试验。金属制成的 成型(Forming)筒作为侧限,限制生物质整体偏斜应变。通过收集气体和水份,作为计算(calculate )体积(volume)应变的 依据。最终所得本构模型材料常数如表1所示。

  4试验验证
  从表1不同种类秸秆的 本构模型常数值得出,小麦秸秆和水稻秸秆的 常数值基本相同,证实了木质素含量对成型性能的 影响。
  为验证热黏塑性本构模型的 可行性,按照3的 试验方法,分别对添加20%木质素的 玉米秸秆和小麦秸秆在40和110℃、应变率为1×102和1×103s-1的 条件下的 进行压缩试验。将试验数据和本构模型绘制成塑性变形真应力-应变响应曲线,得到4。在温度40和110℃条件下,玉米秸秆的 应力模拟值与试验值的 相对误差分别为2.11%、2.46%;小麦秸秆的 相对误差分别为1.81%、2.29%。考虑到秸秆固化成型(Forming)的 复杂性,该误差在许可范围内。从中也可直接比较得出,在较大的 应变范围内,本构模型的 模拟结果与试验数据有较好的 吻合,模型能够反映材料的 软化-强化特性,同时也很好地模拟了材料的 率相关性和温度相关性。
  5结论
  1)运用内时理论构建了生物(Organism)质成型致密压缩阶段的 热黏塑性模型,该模型考虑(consider)了生物质内部特征,木质素含量及其温度特性对塑性流动性能的 影响。与原材料相比,向玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆中添加20%的 木质素,其成型过程中的 更大应力可降低10MPa左右;当成型温度在100~115℃之间,应变率在1×102~1×103s-1之间,可有效地提高木质素的 活化性能。
  2)运用数值分析和试验确定了玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆本构模型的 参数。
  3)通过试验验证,本构方程与试验数据绘制的 应力应变曲线吻合。在温度40和110℃条件下,玉米秸秆的 应力模拟值与试验值的 相对误差分别为2.11%、2.46%;小麦秸秆的 相对误差分别为1.81%、2.29%,该误差在许可范围内。
  4)通过研究木质素活化性能(xìng néng),得出对木质素含量对秸秆颗粒成型起关键作用,木质素添加量的 化计算及其改性是下一步的 研究重点。
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