基于离散元-动力学耦合法的松散秸秆压缩成型机理研究

Compression is an important procedure of straw industrialization. However, owing to the complex process of straw compression, such as their different pressure, irregular motion direction and uneven density distribution, the compression mechanism of loose crop straw will be hardly defined by experimental study and theoretical analysis. A digital design method of Computer simulation analysis will be used in this study, and the 3D geometry model will be built for different parts of straw by combined modeling method. In order to improve the Mohr-Coulomb failure criterion, mechanical properties of single straw compression will be tested, and the process evaluation index of compression fracture convert from squeezing water overflow or deformation to compressive force will be conducted, subsequently, the compression fracture criterion will be constructed. Each particle’s force, velocity and displacement at any time will be figured out base on coupling method of discrete and continuum medium model as well as designing DEM-MBD coupling method, which is a new researching method to compression mechanism of loose crop straw. Experimental study of different straw length, arrangement mode, compression rate, compressing area and compression mode on compression characteristics will be carried out, the results will be a theoretical basis for the improvement and optimization of straw compression equipment.

秸秆压缩是其产业化的重要环节，但松散农作物秸秆压缩过程复杂，压缩室内部秸秆的受力大小不一致、运动方向无规律、密度分布不均匀，难以通过试验研究和理论分析得出准确压缩成型机理。本研究采用计算机模拟分析的数字化设计方法，利用组合式建模方式，建立不同部位（茎、叶、节）秸秆的三维几何模型；通过单个秸秆压缩力学特性测试及分析，以秸秆压缩时挤压溢水、压缩变形所受的压缩力转换处理压缩破坏评价指标，对摩尔-库伦准则进行改进，进而构建合理的压缩破坏准则；采用基于离散介质模型和连续介质模型耦合的颗粒聚合体方法，求解给定时间内每个颗粒的受力、速度和位移，设计一种离散元-动力学耦合的模拟分析方法，为松散农作物秸秆压缩成型机理提供新的研究方法；利用该法进行秸秆长度、排列方式、压缩速度、压缩截面、压缩方式等不同因素水平的仿真压缩特性试验研究，分析总结松散农作物秸秆压缩成型机理，为压缩成型装备的改进和优化提供理论依据。

秸秆压缩是其产业化的重要环节，但松散农作物秸秆压缩过程复杂，压缩室内部秸秆的受力大小不一致、运动方向无规律、密度分布不均匀，难以通过试验研究和理论分析得出准确压缩成型机理。本项目研究玉米秸秆为例，Boltzmann 叠加原理为理论依据，根据生物质压缩成型各阶段表现出的不同特性分段建模，进而获取压缩总应变与压缩应力及成型时间之间的力学模型和本构模型，同时分析压缩时每个阶段的相互联系，确定本构模型的参数；采用了Box-Behnken试验设计，探讨了含水率、压应力、切割角度和茎秆长度对玉米茎秆压缩特性的影响，建立了各因素与压缩特性指标间的回归模型，研究不同直径的含节部和节间茎秆的压缩特性，建立了单个玉米秸秆的压缩破坏准则；采用多刚体系统动力学方法建立复杂运动方式的分析模型，利用EDEM离散元软件的动力学耦合模块，设计了松散农作物秸秆离散元-动力学耦合计算方法；搭建了秸秆压缩试验台，揭示了保压和保型抑制压后秸秆回弹的机理，结果表明，保压稳定的机理为从增大压缩位移和减小回弹位移两个方面抑制压后秸秆的回弹，而保型稳定的机理为减小压后秸秆中的粘弹性回弹力，减小压后秸秆中的可松弛应变回弹，从而减小压后秸秆回弹；综合优化了切碎玉米秸秆的压缩工艺参数，优化结果为含水率13.63%，保压时间与稳定时间比0.38（即保压时间22.8s，保型时间37.2s），最大压应力109.58kPa，原料喂入量3.5kg，此条件下得到压后切碎玉米秸秆块的松弛密度为145.63 kg/m3，尺寸稳定系数为86.89%，压缩比能耗为245.78 J/kg，试验和预测值之间的误差小于2%。研究结果可为秸秆压缩设备的设计及工艺参数选择提供依据。