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生物质固化成型环模磨损实验研究及数值模拟

孔雪辉  
【摘要】: 我国经济持续多年的快速发展,对能源需求的增长必然造成能源短缺和环境污染的双重巨大压力。因此,开发和利用既能保证经济发展又不破坏环境的新型能源已经成为一个重大的热点课题。 本文以黑龙江省攻关项目“年产2000吨生物燃油生产装置”为依托,以发展生物质能资源化利用技术为背景,针对目前国内还没有进行有关纤维含量高的生物质原料对环模金属材料的磨损性能的影响方面的研究工作,首次以提高金属材料抗植物材料磨损能力,减少环模磨损,优化环模结构,提高生物质环模压辊式成型机关键部件环模的使用寿命为目的,对环模的磨损失效机理、生物质原料对环模金属材料的磨损机理进行了分析和深入的实验研究;并针对环模模孔模具形状的优化问题,对环模模孔形状进行了优化设计,得到了最优的环模模孔形状。具体研究工作如下: (1)通过对环模抗弯强度和接触强度分析,表明环模的主要失效形式来自不均匀磨损。 (2)通过软磨料磨损实验验证生物质对金属材料的磨损机理是微切削和塑变疲劳剥落机理。 (3)根据生物质秸秆压缩成型特点,用非线性有限元理论对生物质固化成型过程进行分析。 (4)在用ANSYS软件对两种环模模孔进行挤压成形过程有限元模拟中,我们得到环模模孔的正应力和温度分布情况,可以看出弧形模孔的正应力比不带弧度的锥形模孔的小近5%,并且温度要偏低。通过计算得出弧形模孔的磨损量要比锥形模孔小20%左右。 (5)针对环模模孔的等磨损优化问题,在国内首次结合热力耦合有限元析、BP神经网络和优化算法,采用遗传算法以模孔磨损的均方差最小为目标,建立等磨损优化数学模型,对环模模孔形状进行了优化设计。研究表明采用本方法优化得到的环模模孔形状,与传统的锥形模相比,沿其表面的最大磨损深度降低了60%,且磨损深度分布均匀,说明了这种设计方法是可行的,同时也为其它的非线性优化设计问题提供了方法。 本文在国内首次开展了生物质原料对环模金属材料磨损机理的实验研究,所作的研究不仅可为生物质固化成型关键参数的选择提供理论依据,而且可为环模压辊式成型机的设计和制造提供理论与参考依据。在环模模孔等磨损优化设计中所采用的研究方法也是一次突破和有意义的尝试。


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