生物质压缩成型是将生物质废弃物用机械加压的方法，使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料。生物质在经过压缩成型之后，其密度、强度和燃烧性能都有了质的改善，大大提高了生物质作为燃料的品质和性能，可以为日常生活、工业生产提供高效清洁的能源。
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我国生物质能资源非常丰富。但是，作为一种散抛型低容积密度的能源存在形式，生物质能源具有资源分散、能量密度低、容积密度小、储运不方便等缺点。特别是我国地域广阔，地形复杂，严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为开发利用生物质能的重点。而研制开发成本低、产能高、操作简单、体积小、便于田间小户型作业的成型设备成为这项技术推广应用的关键所在。近年来在生物质压缩成型技术的改进创新发展基础上，本文利用有限元理论对生物质的压缩成型徐变过程和力学特性进行模拟分析，对成型过程中压力和变形的变化规律作深入分析，为研究其最佳成型条件和工艺流程寻求理论依据。
1、生物质致密成型技术
1.1基本理论
从生物学角度，生物质是由纤维素、半纤维和木质素构成，这3种成分构成植物的支持骨架。其中，纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的网状骨架，赋予植物茎秆弹性和机械强度；而半纤维素和木质素则是填充在纤维之间和微细胞之间的“粘结剂”和“填充剂”。在一般植物中，这3种成分的质量占总质量的80%—90%，是生物质的主要组成成分。生物质典型结构如图1所示。
根据国内外学者对粘结成型机理的研究，可以将成型块内部粘结状况及结合力分成5种类型：固体桥；非自由移动粘结剂下的粘附力和内聚力；自由移动液体的表面张力和毛细管作用力；固体颗粒之间的吸引力（分子间的范德华力或静电力）；颗粒间的交错粘结。除了在特殊的成型过程中，物料压缩成型利用了部分或全部的粘接机理以外，通常成型块在聚合过程中只有一种或两种粘接机理起着主要的作用。
一般情况，成型块的粘结强度随着成型压力增加而增大。在不添加粘结剂的成型过程中，秸秆颗粒在外部压缩力的作用下相互滑动，颗粒间的孔隙减小，颗粒在压力作用下发生塑性变形，并达到粘结成型的目的。对大颗粒而言，颗粒之间交错粘接为主；对于很小的颗粒而言（粉粒状），颗粒之间以吸引力（分子间的范德华力或静电力）粘结为主。因此生物质徐变应包括粘性变形和塑性变形。
1.2生物质徐变有限元模型
基于以上分析，如何真实地模拟纤维的分裂软化，木质素的固化成型是有限元分析的关键。同时颗粒物料应属于非连续离散性介质，而非连续介质力学的基本理论还很不完善，使其在工程上的应用受到一定的限制。为研究问题的方便而又能充分反映生物质受压变形情况，本文借用钢筋混凝土梁的粘塑性分析理论，将纤维等效为梁的纵横向筋，木质素等效为混凝土，并采用离散式模型。
单元应力一位移关系为式中e-单元应变率矢量
式(7)即为考虑徐变的有限元基本方程。对于非时效材料K由常量组成，对徐变计算的主要难度在于如何近似获得Ra，因为它是某时间段内变化着的应力函数。在有限元分析中采用LINK单元模拟纤维，concrete单元模拟木质素。同时为了较真实地虚拟成型过程，采用直径30 mm、高60 mm、壁厚1mm的圆筒状模具，并使用PLANE 42单元模拟成型模具。
由于细胞构造、排列等方面的原因，植物的材料性质多为各向异性，如木材沿树干纵向（习惯称顺纹）强度较横向（横纹）大得多。因此，有限元计算时采用正交各向异性材料模型。由于秸秆类生物质力学性能参数的测定至今没有得到一个公认的准确数值，且与杉木相比两者的主要组成成分都是纤维素，因此在计算分析中所需材料模型的弹性模量、泊松比等参数参考了文献报道的杉木力学数据，应力一应变曲线参考了文献的实验数据。
2、ANSYS分析计算
由于成型挤压过程中被挤压物料和成型模具之间存在挤压和滑动摩擦现象，进行有限元分析时需建立接触副，用以计算两个物体之间的这种运动。
2.1网格划分
首先为不同几何模型选择对应单元类型和材料模型；然后使用MeshTool进行智能网格划分。生物质模型和成型模具模型的单元尺寸分别为2级和3级。
2.2建立接触副
ANSYS支持3种接触方式；点一点、点一面、面一面，每种接触方式使用的接触单元适用于某一类问题。对于刚体一柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Targe170来模拟2-D和3-D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171，Conta172，Conta173．Conta174来模拟。本文采用目标单元169和接触单元171进行面一面接触分析计算。分别选取生物质物料作为柔性体，成型模具为刚性体，“目标”面分别选取两部分的边界线。
2.3建立分析条件
生物质物料的左边采用对称约束，在其顶部施加压力作为载荷。接触分析是典型的非线性问题，同时生物质也是非线性材料，所以在求解前，进行计算结果收敛性设定。首先，在Sol'n control中设定Large displacement static, Time at end of loadstep设定为10，Number of sunstep设定为20;然后，在Analysis option中设Large deform effect为On；最后打开非线性计算收敛预测器。
2.4分析计算
点击Current LS进行求解。
2.4.1挤压成型徐变过程
图2、图3是生物质徐变初始阶段和结束阶段的变形图，从图中可清晰看出其成型过程中位移、体积变化情况。物料变形具有一定的层次，从上到下其变形越来越小，顶端最大，底部变形较小。分析可得各部分受力、变形不均匀，采用模具成型得到的制成品各部分致密度不相同，一端较致密，另一端容易散落。另外，生物质边缘变形比中部变形有一定迟缓，这是由磨擦所造成的。所以选择受力、变形均匀的挤压方法是提高制品品质的关键因素。
2.4,2应力分布
图4为第三强度定律应力图，图5为等效塑性应力图。
从图4、图5所示应力分布得出，生物质上部应力较大，下部较小，这与上部变形大于下部相一致。与材料模型相比较得出，物料上部徐变以粘性变形为主，而下部刚进入粘性变形，以塑性变形为主。对于成型模具其内壁直角处应力较大，其主要原因是这一部位即承受横向挤压力又承受上部挤压力和摩擦力在此产生的弯曲力偶。如何消除此集中应力是提高模具寿命的关键。
2.4.3 压力和变形关系
从图6中得出，物料挤压初始阶段在较小压力作用下产生了较大变形，随着时间推移变形越来越缓慢，而且在成型后阶段变形会出现徐变停滞现象。根据图6、图7可将生物质徐变过程分为3个阶段：松散阶段、压紧阶段、固化阶段。
在松散阶段（图6、7中曲线从0点到A点）．初始物料较松散，在很小的压力下，产生较大变形。表明在此阶段，变形以克服物料之间的空隙为主，物料的体积减小较快。
在压紧阶段（图6、7中曲线从A点到B点），变形的增大率逐渐减弱。表明在此阶段，秸秆物料的变形从克服物料之间的空隙为主转向以克服物料自身内部的空隙为主。物料颗粒发生破裂，纤维开始分裂软化，徐变以塑性变形为主。
在固化阶段（图6、7中曲线从B点到C点），物料变形与压力的关系近似呈线性关系。随着压力的增加，变形的增加非常缓慢。表明在此阶段，秸秆物料颗粒之间的空隙和秸秆自身的空隙己经被完全克服，纤维进一步软化，木质素开始固化，徐变以粘性变形为主。
在压紧和固化阶段，变形出现停滞，其原因一方面与物料中存在的大量气泡和水分有关，另一方面与大量纤维的突然软化分裂有关。
在整个成型过程中，除去水分外物料质量损失较少，所以密度变化与位移变化曲线相似。从图6、7可以得出：物料成型与其含水率有一定关系。
本文有限元分析数据与文献中经过试验得出的秸秆类生物质压力一变形数据很相似。所以，本文所采用方法较为合理，分析计算准确。
3、结论
(1)准确建立生物质的徐变模型，模拟其生物机理是有限元分析合理性的关键。由生物质徐变图可得，对物料从各个方向施加均匀的受力是保证成型品品质的关键。
(2)根据压力一变形图，生物质成型徐变要经过松散、压紧、固化3个阶段。
(3)由于挤压力和摩擦力的存在，成型模具产生较大应力集中，这是柱塞式成型设备的主要缺陷。
(4)运用ANSYS对生物质成型徐变过程进行模拟分析，其变形过程及其压力与变形的关系与已有实验数据对比，其数据可靠，为生物成型机理的进一步研究提供了较好的依据和方法。
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