木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程數(shù)值模擬

彭 博，陳 飛，辜良瑤，吳慶定

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程數(shù)值模擬

彭 博，陳 飛，辜良瑤，吳慶定

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

為探尋木質(zhì)粉末模壓成形致密化規(guī)律，以楊木粉末和蘆葦粉末為試材，重點基于室溫模壓成形試驗數(shù)據(jù)，借助有限元法分析了成形壓力對木質(zhì)粉末壓坯密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在彈塑性理論的理想假設(shè)下，Shima模型適合木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程數(shù)值模擬，試驗結(jié)果與理論模型計算數(shù)據(jù)高度吻合，可用于指導木質(zhì)粉末熱模壓成形致密化過程研究。

木質(zhì)粉末；冷成形；致密化；數(shù)值模擬

國內(nèi)外關(guān)于粉體材料模壓成形致密化過程的數(shù)值模擬研究已有幾十年的歷史，但基于木質(zhì)粉末相關(guān)研究的公開報道并不多見[1-5]。盡管已有的研究成果大多基于理想化的“可壓縮連續(xù)體”粉體原料建立起的系列理論準則，例如：Kuhn等提出的多孔介質(zhì)模型[6]、Shima材料模型[7]、Doraivelu準則[8]、Kim準則[9]等；但由于非連續(xù)介質(zhì)的力學基礎(chǔ)并不完善，使得這些理論準則在粉體材料成形領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大制約。本文擬基于粉體材料連續(xù)性假設(shè)，以蘆葦和楊木的粉末為例，借助Shima模型運用MSC.MACR有限元分析軟件對木質(zhì)粉末在室溫條件下的模壓成形致密化過程實施模擬分析[10]，從而建立木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程的數(shù)值模型，為木質(zhì)粉末熱模壓成形致密化過程建模打下堅實基礎(chǔ)。

1 木質(zhì)粉末顆粒的物理特征

1.1 試驗材料

楊木： 30 kg，采集于湖南常德市斗姆湖林區(qū)。蘆葦：30 kg，采集于湖南瀏陽市大圍山區(qū)。

1.2 主要設(shè)備與儀器

F160型號試驗粉粹機拍擊式標準振篩機、標準試驗篩、HX100型試驗壓機。

1.3 試樣制備

將楊木枝丫材和蘆葦或鋸或劈成小段或小片，在 55 ℃ 下真空干燥至含水率12% ～15%， 然后粉碎成-20 目(0～85 mm)的粉末備用。將楊木粉末和蘆葦粉末分別倒入HX100型試驗壓機配備的模具內(nèi)壓制成條形試樣。

圖1為光學顯微鏡下2種木質(zhì)粉末的顆粒形貌。不難發(fā)現(xiàn)，不論楊木粉末（圖1a）還是蘆葦粉末（圖1b），其顆粒排列無序、形狀各異、多為長條狀。分析發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)粉末的松裝密度隨粒度的變化不大，約為絕干密度的1/2，且粒度組成成正態(tài)分布，與金屬粉末的粒度分布類似[2]。

圖1 木質(zhì)粉末及其顆粒形貌Fig.1 Woody powder and its particle morphology

2 木質(zhì)粉末冷模壓成形過程的數(shù)值模擬

蘆葦粉末、楊木粉末等木質(zhì)粉末的成形過程是一個典型的非線性彈塑性接觸問題[2,11]。MARC軟件對于非線性彈塑性問題具有強大的有限元分析和計算能力，筆者將借助該軟件對木質(zhì)粉末在室溫條件下的模壓成形致密化過程進行有效模擬。

2.1 壓制模型

如圖2所示，基于成形模型腔橫截面進行分析，取寬度50 mm，選定木質(zhì)粉末粒度為-20目，假設(shè)室溫為恒溫25℃，裝粉高度70 mm、壓坯高度18 mm，成形壓力分別為20、35、50、65、80 MPa，保壓30 min[3-5]。取木質(zhì)粉末壓坯與成形模側(cè)壁間的摩擦系數(shù)為μ=0.1，壓制溫度為25℃。

圖2 壓制模型Fig.2 Pressing model

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

綜合考慮計算速度與精度等因素，將壓制模型劃分為12×10的有限元網(wǎng)格如圖2，網(wǎng)格采用8節(jié)點（NODE）的平面應(yīng)力（PLANE STRESS）模型。

2.3 材料模型

視木質(zhì)粉末為松散各向同性體，基于等效應(yīng)力和等效應(yīng)變增量關(guān)系的屈服準則，擬采用粉末體本構(gòu)方程（Shima-Oyane本構(gòu)模型）[6]：

式中， σy為單向屈服應(yīng)力；σ′ij為應(yīng)力張量；P為靜水壓力；γ、β為材料參數(shù)（為相對密度的函數(shù)）

2.4 分析類型

采用的有限元模型是一個熱機耦合模型，考慮到了彈塑性變形與接觸變形等問題。在模型計算與解析時，把粉體材料定義為變形體（DEFORMABLE），把成形模具的陰模、上/下模沖定義為剛形體（RIGID）。圖3所示為通過軟件生成的接觸表截屏圖，據(jù)此建立變形體與剛形體的接觸關(guān)系。

2.5 等效MISS應(yīng)力云圖

圖4所列為-20目楊木與蘆葦稈粉末在65MPa壓力下成形時的等效MISS應(yīng)力云圖。明顯可見：①粉末壓坯四角應(yīng)力最大，其成因在于粉末在成形過程中與模壁存在摩擦，導致壓坯局部應(yīng)力增大；②粉末壓坯內(nèi)部應(yīng)力偏小、靠近陰模側(cè)壁中部應(yīng)力最小、余部應(yīng)力趨于均勻，成因在于應(yīng)力傳遞過程中粉末壓坯角部摩擦使部分應(yīng)力被抵消，造成壓坯內(nèi)部等效應(yīng)力減小。

圖3 接觸表Fig.3 Contact table

圖4 等效MISS應(yīng)力Fig. 4 Equivalent MISS stress map

2.6 相對密度云圖

圖5 ～圖7為-20目楊木與蘆葦粉末在20 MPa、50 MPa、80 MPa成形壓力下的壓坯相對密度分布圖。因側(cè)壁摩擦力的存在，壓坯密度明顯成梯度分布，并呈現(xiàn)出一定弧線。隨著保壓時間的延長，粉體內(nèi)部必然會發(fā)生明顯的機械咬合和有限的膠接現(xiàn)象；成形后期，粉末壓坯不同部位的密度差會縮小，但壓坯芯部的密度始終低于表層密度。

圖5 20 MPa時的相對密度分布Fig. 5 Relative density pro fi le at 20 MPa

2.7 密度分析

木質(zhì)粉末的常溫成形過程遵循質(zhì)量守恒，且壓坯截面積不變，據(jù)此可根據(jù)壓坯高度的變化計算出對應(yīng)成形壓力下的壓坯密度。圖8～圖10展示了成形壓力由0增加至80 MPa時粉末壓坯的高度變化情況。

此時，壓坯密度可由下式計算得出：

式中，ρ為初裝密度；h0為初裝高度；Δh為高度變化絕對值。

計算結(jié)果列于表1、表2。

圖6 50 MPa時的相對密度分布Fig.6 Relative density pro fi le at 50 MPa

圖7 80 MPa時的相對密度分布Fig.7 Relative density pro fi le at 80 MPa

圖8 20 MPa時的板坯高度變化絕對值Fig.8 Slab height change absolute value at 20MPa

圖9 50 MPa時的板坯高度變化絕對值Fig.9 Slab height change absolute value at 50MPa

圖10 80 MPa時的板坯高度變化絕對值Fig.10 Slab height change absolute value at 80MPa

表1 楊木粉末壓坯密度計算Table 1 Poplar powder green density calculation

表2 蘆葦粉末壓坯密度計算Table 2 Reed powder green density calculation

圖11、圖12分別為室溫條件下獲得的楊木粉末與蘆葦粉末的壓坯“壓力-密度”曲線。不難發(fā)現(xiàn)：壓坯“壓力-密度”的計算曲線與實測曲線高度吻合，但也存在無規(guī)律的細微差異，其原因主要體現(xiàn)在2個方面：第一，在對木質(zhì)粉末顆粒的理想假設(shè)中，認為顆粒體積局部保持不變，但由于木質(zhì)纖維的細胞孔/壁等因素，粉末顆粒受壓后實際存在一定的體積變化，而這種變化無固定規(guī)律可尋；第二，木質(zhì)粉末顆粒在常溫下模壓成形過程中會出現(xiàn)較大程度的物理壓縮，同時還會出現(xiàn)機械咬合，且壓坯在成形壓力撤除后會產(chǎn)生彈性回復。

圖11 楊木粉末“壓力-密度”曲線Fig.11 Poplar powder pressure-density curve

圖12 蘆葦粉末“壓力-密度”曲線Fig.12 Reed powder pressure-density curve

3 在木質(zhì)粉末熱模壓成形過程的應(yīng)用

圖13所示為粒徑小于-20目楊木粉末和蘆葦粉末在160℃/30 min熱壓條件下的“壓力-密度”曲線。不難看出，當成形壓力≥50 MPa時，實測壓坯“壓力-密度”曲線與修正“壓力-密度”曲線高度一致，說明Shima模型同樣適用于木質(zhì)粉末熱模壓致密化過程數(shù)值模擬研究，木質(zhì)粉末冷模壓致密化過程的數(shù)值模擬研究結(jié)果對今后開展木質(zhì)粉末熱模壓致密化過程數(shù)值模擬研究具有很好的借鑒作用。

圖13 壓坯密度隨壓力變化的數(shù)據(jù)對比Fig.13 Data comparison diagram of green density variation with pressure

4 結(jié) 論

以楊木粉末和蘆葦粉末為試材，基于室溫模壓成形試驗數(shù)據(jù)，借助有限元法分析了成形壓力對木質(zhì)粉末壓坯密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在彈塑性理論的理想假設(shè)下，Shima模型可對木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程進行很好的數(shù)值模擬，試驗結(jié)果與理論模型計算數(shù)據(jù)高度吻合，可作為木質(zhì)粉末熱模壓成形致密化過程的數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)。

初步研究發(fā)現(xiàn)，以楊木粉末、蘆葦粉末等木質(zhì)粉末為基材，在160℃/30min熱壓條件下的獲得的模壓成形壓坯“壓力-密度”曲線的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果存在明顯偏差，但當成形壓力≥50 MPa時，通過計算、實驗檢測與修正分析獲得的壓坯修正“壓力-密度”曲線與實測“壓力-密度”曲線基本吻合，可能的原因在于：在合適的溫度區(qū)間實施熱壓時，木質(zhì)粉末壓坯的致密化機制已由粉末壓縮和粉末顆粒間以及粉末顆粒內(nèi)部胞壁間的融合、膠接與新官能團的形成等一系列物理化學變化，替代了冷模壓時的單純機械壓縮、機械咬合和有限的粘結(jié)致密化機制，其深層次的原因與機理有待進一步研究。

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[2] 吳慶定. 木質(zhì)粉末溫壓成形原理與技術(shù)[M]. 長沙: 湖南大學出版社, 2012.

[3] 吳慶定, 易 林, 梁 盛. 響應(yīng)面法優(yōu)化蘆葦稈粉末高壓無膠成形工藝[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2012, 32(1): 144-149.

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Numerical modeling of cold-forming based on woody powder

PENG Bo, CHEN Fei, GU Liang-yao, WU Qing-ding
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

To fi nd the densi fi cation rule of woody powder forming, used poplar powder and reed powder, and based on the experimental data of room temperature forming and the finite element method, we have analyzed the forming pressure’s impact on the rule of wood powder density. The result indicates that, under the ideal hypothesis of elastic-plastic theory, the Shima model is right down the numerical modeling of cold-forming based on woody powder densi fi cation, moreover, the experimental result is high consistent with the theoretical model calculating data. The model can be used to guide the study of hot die forming of woody powder densi fi cation.

woody powder; cold-forming; densi fi cation; numerical modeling

S781.3

A

1673-923X(2016)06-0097-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.020

2015-11-17

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目（201404508）；湖南省自然科學基金/常德市聯(lián)合基金資助項目（14JJ5018）；2015年湖南省重點研發(fā)計劃（工業(yè)支撐計劃）資助項目（2015GK3016）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2015B301）；中南林業(yè)科技大學研究生科技創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B23）

彭 博，碩士研究生

吳慶定，教授，博士，博士研究生導師；E-mail：wudingle@126.com

彭 博，陳 飛，辜良瑤，等. 木質(zhì)粉末冷模壓成形致密化過程數(shù)值模擬[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(6):97-102.

[本文編校：吳 彬]