環(huán)模?？族F角及進(jìn)料腔長(zhǎng)度對(duì)?？讖?qiáng)度影響研究

■ 李 震 薛 冰 俞國(guó)勝

（1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

環(huán)模式生物質(zhì)成型機(jī)由于具有產(chǎn)量高，物料適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低的特點(diǎn)，正逐漸成為當(dāng)前研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在對(duì)環(huán)模主要參數(shù)：環(huán)模直徑、有效寬度、環(huán)模長(zhǎng)徑比、開孔率等對(duì)環(huán)模壓縮成型的影響[1]。但對(duì)環(huán)模孔的錐角大小和進(jìn)料腔長(zhǎng)度對(duì)環(huán)模壓縮成型的影響方面的研究并不多見。錐角大小和進(jìn)料腔長(zhǎng)度也是影響生物質(zhì)成型的關(guān)鍵因素，決定著生物質(zhì)成型的品質(zhì)。本研究通過選取不同大小的錐角和不同長(zhǎng)度的進(jìn)料腔，并利用ABAQUS軟件對(duì)不同的環(huán)?？走M(jìn)行靜力強(qiáng)度分析，得到不同條件下環(huán)?？讘?yīng)力分布，進(jìn)行對(duì)比分析，得到?？椎腻F角和進(jìn)料腔優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)一步改進(jìn)環(huán)模孔的結(jié)構(gòu)使其更加合理。

1 模孔的受力分析

環(huán)模式生物質(zhì)成型機(jī)的成型過程主要是壓輥與環(huán)模之間的楔形擠壓，物料在與模具之間的摩擦力和進(jìn)料腔的擠壓阻力作用下而壓縮成型[2]。圖1為環(huán)模模孔的受力圖。

圖1 環(huán)模模孔的受力

在張煒等[3]對(duì)?？椎难芯恐刑岢隽四？變?nèi)表面和錐面上所受的正壓力及摩擦力的計(jì)算公式。本文中通過借鑒他們的研究結(jié)合錐角對(duì)其受力的影響，得出如下公式：

式中：N1——物料對(duì)錐面的正壓力；

N2——物料對(duì)?？變?nèi)表面的正壓力；

f1——錐面的摩擦力；

f2——?？變?nèi)表面的摩擦力；

F——擠壓力；

d1——進(jìn)料口直徑；

d——?？變?nèi)徑；

L1——進(jìn)料腔長(zhǎng)度；

L——圓柱腔長(zhǎng)度；

θ——錐角。

由公式中可以看出，改變錐角θ和進(jìn)料腔長(zhǎng)度L1里的任意一個(gè)參數(shù)都會(huì)對(duì)環(huán)模的受力產(chǎn)生影響。

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2.1 ?？椎膸缀文Ｐ图安牧?/h3>

運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行有限元分析的第一步就是建立幾何模型，由于所分析的模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，ABAQUS自身的建模軟件基本可以滿足要求，所以可以用ABAQUS對(duì)?？走M(jìn)行幾何建模，避免用其它軟件建模導(dǎo)入ABAQUS中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性。然后在ABAQUS中進(jìn)行分析。由于?？资禽S對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在ABAQUS中有專門對(duì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的建模模塊，以Y軸為對(duì)稱軸，XY平面上建立的殼單元繞Y軸旋轉(zhuǎn)360°即為軸對(duì)稱實(shí)體。所以在ABAQUS中建立的?？纵S對(duì)稱模型如圖2所示。?？椎慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)：模孔的內(nèi)徑為8 mm，環(huán)模的厚度為40 mm，?？椎谋诤?1 mm。建立六種模型，即錐形腔長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，分別建立錐角為30°、45°、60°的模型。錐角為30°時(shí)，分別建立進(jìn)料腔長(zhǎng)度為2、4、6 mm的模型。環(huán)模?？捉Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

環(huán)模的材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi，其彈性模量為207 GPa，泊松比為0.25，抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa，屈服強(qiáng)度為835 MPa。

圖2 ?？椎妮S對(duì)稱模型

圖3 ?？椎慕Y(jié)構(gòu)

2.2 定義載荷和邊界條件

在ABAQUS中，建立好模型，定義好材料后，要進(jìn)行定義裝配件，設(shè)置分析步這些都可以使用默認(rèn)設(shè)置。接著就是對(duì)模型施加載荷和邊界條件。

2.2.1 定義載荷

由前面對(duì)?？椎氖芰Ψ治隹芍？资苷龎毫湍Σ亮?，可根據(jù)上述公式求得。

擠壓力可以根據(jù)制粒密度求出，在規(guī)定制粒密度為r=1.217 g/cm3時(shí)，擠壓力F=6.032 kN[3]。

根據(jù)模孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)及公式（1）、（2）、（3）、（4），得到不同的錐角和進(jìn)料腔長(zhǎng)度時(shí)對(duì)?？姿┘拥妮d荷，見表1。

表1 不同的錐角和進(jìn)料腔長(zhǎng)度時(shí)對(duì)?？资┘虞d荷

2.2.2 定義邊界條件

對(duì)模型的底邊和側(cè)邊分別施加固定約束。如圖4所示。

圖4 定義載荷和邊界條件

2.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)，首先設(shè)置網(wǎng)格密度，設(shè)置尺寸為1。其次選擇單元類型，選擇單元類型為CAX4R。最后劃分網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 劃分網(wǎng)格

3 后處理結(jié)果分析

創(chuàng)建JOB，并運(yùn)行得到分析結(jié)果。

① 進(jìn)料腔長(zhǎng)度為6 mm，錐角分別為30°、45°、60°時(shí)，三種不同錐角的模孔應(yīng)力云圖，如圖6所示，沿軸向的應(yīng)力分布分別如圖7所示。

圖6 不同錐角的模孔應(yīng)力云

由以上分析結(jié)果知，當(dāng)進(jìn)料腔長(zhǎng)度一定時(shí)，30°錐角的環(huán)模模孔所受的最大應(yīng)力為19 795 Pa，45°錐角的環(huán)模?？姿艿淖畲髴?yīng)力為14 238 Pa，60°錐角的環(huán)模模孔所受的最大應(yīng)力為7 858 Pa。

圖7 錐角變化時(shí)沿軸向應(yīng)力分布

② 錐角為30°時(shí)，進(jìn)料腔長(zhǎng)度分別為2、4、6 mm時(shí)，三種不同進(jìn)料腔長(zhǎng)度的?？讘?yīng)力云如圖8所示，沿軸向應(yīng)力分布如圖9所示。

圖8 不同進(jìn)料腔長(zhǎng)度的?？讘?yīng)力云

由以上分析結(jié)果知，當(dāng)錐角一定時(shí)，進(jìn)料腔長(zhǎng)度為2 mm時(shí)，環(huán)模?？姿艿淖畲髴?yīng)力為34 783 Pa；進(jìn)料腔長(zhǎng)度為4 mm時(shí)，環(huán)模?？姿艿淖畲髴?yīng)力為24 655 Pa；當(dāng)進(jìn)料腔長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，環(huán)模?？姿艿淖畲髴?yīng)力為19 795 Pa。

4 結(jié)論

①由改變錐角的環(huán)模?？椎挠邢拊治鼋Y(jié)果可知，當(dāng)錐角為30°、45°、60°時(shí)，環(huán)模?？姿艿钠骄鶓?yīng)力成逐漸遞減的關(guān)系，但錐角大時(shí)，開孔率會(huì)降低，而影響生產(chǎn)效率，所以錐角也不宜過大。

②由改變進(jìn)料腔長(zhǎng)度的環(huán)模?？椎挠邢拊治鼋Y(jié)果可知，當(dāng)進(jìn)料腔長(zhǎng)度為2、4、6 mm時(shí)，環(huán)模?？姿艿淖畲髴?yīng)力值成逐漸遞減的關(guān)系，所以進(jìn)料腔長(zhǎng)度為6 mm時(shí)所受的應(yīng)力要比2 mm和4 mm時(shí)小。

圖9 進(jìn)料腔長(zhǎng)度變化時(shí)沿軸向應(yīng)力分布

③環(huán)模?？椎腻F角和進(jìn)料腔長(zhǎng)度都是影響環(huán)模壽命的關(guān)鍵因素，所以要對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)置。由本文研究可知，錐角為60°，錐形腔長(zhǎng)度為6 mm的環(huán)模?？捉Y(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力較小。但在實(shí)際應(yīng)用中要考慮開孔率等各方面因素，從而加以設(shè)計(jì)會(huì)更加合理。