全 文 ：第 wv卷 第 tu期
u s s z年 tu 月
林 业 科 学
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⁄¨ ¦qou s s z
基于 „‘≥≠≥的稻草Π°≥层合复合材料
保温性能仿真分析
许 民 陈 磊 李 坚
k东北林业大学生物质材料科学与工程教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采用稻草板与聚苯乙烯泡沫板复合作为复合墙体的保温材料 o利用 „‘≥≠≥有限元软件模拟冬季条件下
热量由室内通过该保温材料向室外的传递 ∀通过单因素试验分析当 Π!Σ分别变化时 ot型 !u型 !v型复合材料的
温度场分布 !导热系数和热流密度的改变 ~经过 w因素 z水平的均匀试验 o分析当 Π!Σ同时变化时 ou型和 v型复
合材料的保温性能相似 ~同时对复合材料的保温性能作出预测 ∀稻草Π°≥层合复合材料保温性能的实际检测结果
是 t型复合材料的热阻为 s1us ou型和 v型复合材料的热阻相同 o为 t1tv °u#kŽ# • p tl o这与有限元分析的结果一
致 o表明 „‘≥≠≥有限元法对于稻草Π°≥层合复合材料保温性能仿真分析具有一定的实际应用价值 ∀
关键词 } „‘≥≠≥ ~有限元 ~稻草Π°≥复合材料 ~保温性能 ~仿真分析
中图分类号 }טttt1t|n t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszltu p stuu p sw
收稿日期 }ussz p s| p u{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目/秸秆纤维与废弃塑料熔融复合工艺学原理的研究0kvsxztwx{l资助 ∀
Σιµ υλατιον Αναλψσισ οφ Πολψστψρενε Χψστοσεπιµεντ ανδ Στραω Βοαρδ Λαµινατιον Χοµ πουνδ
Ματεριαλσ Ηεατ Πρεσερϖατιον Περφορµανχε Βασεδ ον ΑΝΣΨΣ
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k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } ׫¬¶ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·∏¶¨¶³²¯¼¶·¼µ¨±¨ ¦¼¶·²¶¨³¬°¨ ±·¤±§·«¨ ¶·µ¤º ¥²¤µ§¦²°³²¶¬·¨ ¤¶·«¨ ¦²µ¨ ¥²¤µ§²© º¤¯¯ °¤·¨µ¬¤¯ q
≥¬°∏¯¤·¨§∏¶¬±ª·«¨ „‘≥≠≥ ©¬±¬·¨ ¨¯ °¨¨ ±·¶²©·º¤µ¨ ·«¨ ∏´¤±·¬·¼ ²©«¨¤·º«¨ ±¬··µ¤±¶°¬·¶©µ²°·«¨ µ²²°·²²∏·§²²µ·«µ²∏ª«·«¨
¦²µ¨ ¥²¤µ§°¤·¨µ¬¤¯ ∏±§¨µ·«¨ º¬±·¨µ¦²±§¬·¬²±q„±¤¯¼¶¨¶·«µ²∏ª«¤¶¬±ª¯ 2¨©¤¦·²µº«¨ ± ΠoΣ¦«¤±ª¨¶µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ o·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨
§¬¶·µ¬¥∏·¬²±o·«¨µ°¤¯ ¦²±§∏¦·¬√¬·¼ ¤±§ «¨¤·©¯∏¬ ²©·¼³¨t o·¼³¨ u ¤±§·¼³¨ v ~ ׫µ²∏ª«©²∏µ©¤¦·²µ¶¶¨√¨ ± ¯¨ √¨ ¶¯²© ∏±¬©²µ°
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¶¬°¬¯¤µ~¤±§³µ¨§¬¦··«¨ ·«¨µ°¤¯ ¬±¶∏¯¤·¬²± ³µ²³¨µ·¬¨¶²©¦²°³²¶¬·¨ °¤·¨µ¬¤¯¶q׫¨ ¤¦·∏¤¯ ·¨¶·µ¨¶∏¯·¶²©¶·µ¤ºΠ°≥ ¦²°³²¶¬·¨¬¶·«¨
«¨¤·µ¨¶¬¶·¤±¦¨ ²©·¼³¨ t¬¶s1us °u#kŽ# • p tl o·¼³¨ u ¤±§·¼³¨ v¬¶t1tv °u#kŽ# • p tl o¤±§·«¨ ¶¤°¨ ¤¶·«¨ µ¨¶∏¯·¶²©©¬±¬·¨
¨¯ °¨¨ ±·¤±¤¯¼¶¬¶o¶² „‘≥≠≥ ¦¤± ¥¨ ∏¶¨§¬± «¨¤·³µ¨¶¨µ√¤·¬²± ³¨µ©²µ°¤±¦¨ ¶¬°∏¯¤·¬²± ¤±¤¯¼¶¬¶²©³²¯¼¶·¼µ¨±¨ ¦¼¶·²¶¨³¬°¨ ±·¤±§
¶·µ¤º ¥²¤µ§ ¤¯°¬±¤·¬²±¦²°³²∏±§°¤·¨µ¬¤¯¶q
Κεψ ωορδσ} „‘≥≠≥ ~©¬±¬·¨ ¨¯ °¨¨ ±·~¶·µ¤º ¥²¤µ§Π°≥ ¦²°³²¶¬·¨~·«¨µ°¤¯ ³µ¨¶¨µ√¤·¬²± ³¨µ©²µ°¤±¦¨ ~¶¬°∏¯¤·¬²± ¤±¤¯¼¶¬¶
我国是农业大国 o每年农作物秸秆类剩余物大于 ts亿·o其中 zs h为稻草和麦秸 o这是一类巨大的可再
生资源k李凯夫等 ousswl ∀大部分因无法合理利用而在田间焚烧 o既浪费资源又污染环境 o还给交通运输带
来了不便 ∀本文以自主研究开发的稻草板与聚苯乙烯泡沫k°≥l板复合 o制作新型层合复合材料 o作为具有一
定保温 !隔音性能的墙体材料的芯板k许民等 oussy ~谢春良 ot|||l ∀
大型有限元软件 „‘≥≠≥其热分析功能非常强大 o目前在石油化工 !钢铁冶金 !机械制造 !轻工业 !土木工
程等研究领域的应用日益深入k张建峰等 ousswl ∀本文采用 „‘≥≠≥有限元软件对芯板复合材料的保温性能
进行了模拟 ∀通过计算模拟出复合材料在稳态条件下的内部温度场分布 !温度梯度和热流密度 o为复合材料
的设计提供技术指导k商跃进 oussy ~ ‹²µ±¶¥¼ ετ αλqot||zl ∀
t „‘≥≠≥热分析软件的建模
„‘≥≠≥热分析基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元k包含若干节点l o然后根据能量守恒原
理求解一定边界条件下和初始条件下的每一节点处的热平衡方程 o由此计算出各节点温度 o进一步求解出其
图 t v种模型的结构示意图
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶®¨·¦« °¤³²©·«¨ ·«µ¨¨ °²§¨ ¶¯
他相关量k唐兴伦等 oussvl ∀
111 建立复合材料的物理模型
本试验建立的模型如图 t所示 ∀
112 对模型进行有限元的网格划分
本试验是用 „‘≥≠≥方法分析不同的材料厚度
对复合材料保温性能的影响k张亚欧等 oussw ~过梅
丽 oussul o所以要对不同厚度的材料分别进行建
模 ∀为了使建模更加简单 o只在能表征厚度的侧面
建模并划分网格 ∀以 u型复合材料为例加以说明 o
图 u 材料的侧面网格划分
ƒ¬ªqu ¤·¨µ¬¤¯¶³µ²©¬¯¨ °¨ ¶«
稻草板的厚度为 us °° o°≥板厚度为 ws °°∀复合
后材料长 vss °° o宽 {s °°∀以 t °° ≅ s1x °°的
网格大小进行划分 o共分为 w{s个 o如图 u所示 ∀
u 模拟试验
211 试验条件
稻草板厚为 Σ o°≥板厚为 Πo靠室外侧墙体表
面温度为 Τt o靠室内侧墙体表面温度为 Τu o单位时
间 !单位面积内室内的热量损失为热流密度 o用 Θ
表示 o表明单位时间内由温度高的一侧向温度低的
一侧通过单位面积的热量 ∀室外温度为 s ε o室外
空气对流系数为 us • #°puŽpt o室内温度为 us ε o
室内空气对流系数为 v1y • # °pu Žpt k易咸煜 o
ussx ~许建柳 ousswl ∀
212 导热系数
稻草板为自主研制的产品 o导热系数 Κ大体取值范围为 s1t ∗ s1x • #°pt Žpt ∀分析厚度分布为 usΠwsΠ
us时 oΚ的取值对 u型 !v型复合材料温度场分布 Τt !Τu 和热流密度 Θ的影响 o结果见表 t !u ∀由表 t !u可
知 }当稻草板导热系数 Κ取值在 s1t ∗ s1x • #°ptŽpt内变化时 o对于 u型和 v型复合材料的影响很小 ∀实测
密度为 s1y ª#¦°pv的稻草板导热系数为 s1ts{ • #°ptŽpt o因此 o本试验中稻草板导热系数 Κ取 s1t • #°pt
Žptk张威振 oussxl ∀
表 1 Κ对 2 型复合材料的影响
Ταβ .1 Τηειµ παχτ οφ Κ το τψπε 2 µατεριαλ
ΚΠk • #°ptŽptl ΤtΠε ΤuΠε ΘΠk • #°pul
s1t s1xts |xw ty1wxu tu1yzx
s1u s1xzy |vz tx1||v tw1vtu
s1v s1ysu {{{ tx1{tv tw1|xx
s1w s1ytw v|| tx1zvv tx1uwt
s1x s1yuu |tv tx1yzw tx1wxu
s1y s1yu{ zus tx1yvw tx1x|y
表 2 Κ对 3 型复合材料的影响
Ταβ .2 Τηειµ παχτ οφ Κ το τψπε 3 µατεριαλ
ΚΠk • #°ptŽptl ΤtΠε ΤuΠε ΘΠk • #°pul
s1t s1xs| {zu ty1wx| tu1yw{
s1u s1xzx s|| ty1ssy tw1uyy
s1v s1yss zty tx1{u{ tw1|st
s1w s1ytw v|| tx1zvv tx1uwt
s1x s1yuu |tv tx1yzw tx1wxw
s1y s1yu{ zus tx1yvw tx1x|y
213 试验方法
使用单因素试验方法 o计算 Σ对 t型 !Σ对 u型 !Π对 v型复合材料温度场分布 Τt !Τu 和热流密度 Θ的
影响 ~使用均匀试验方法 o计算 Σ !Π共同作用时对 u型及 v型复合材料温度场分布 Τt !Τu 和热流密度 Θ的
影响 ∀
v 结果与讨论
311 单因素试验
单因素试验计算结果见表 v ) x ∀由表 v可知 o随着稻草板厚度的增加 ot型材料的保温性能不断增强 ~
vut 第 tu期 许 民等 }基于 „‘≥≠≥的稻草Π°≥层合复合材料保温性能仿真分析
表 3 Σ值对 1 型复合材料的影响
Ταβ .3 Τηειµ παχτ οφ Σ το τψπε 1 µατεριαλ
ΣΠ°° ΤtΠε ΤuΠε ΘΠk • #°pul
ts u1vv{ z1stv wy1zxv
tx u1s|v {1vzu wt1{y
us t1{|x |1wzw vz1{|x
ux t1zvt ts1v{x vw1ytx
vs t1x|v tt1tx vt1{x{
vx t1wzx tt1{sv u|1xs{
ws t1vzw tu1vyy uz1w{t
wx t1u{y tu1{xz ux1ztw
xs t1us{ tv1u{| uw1tyt
xx t1tv| tv1yzt uu1z{x
ys t1sz{ tw1stu ut1xxz
但是在不同的取值范围内 o厚度对材料的保温性能影响不同 }
当厚度取值 ts ∗ ux °°时 o厚度的变化对材料的保温性能影
响较大 ~当厚度取值 ux ∗ ys °°时 o厚度的变化对材料的保
温性能影响较小 ∀所以 o综合考虑工艺等各方面因素 ot型复
合材料厚度取值为 us °°较佳 ∀由表 w可知 o对于 u型复合
材料 o随着稻草板厚度的增加 o材料的保温性能不断增强 o但
是稻草板厚度的变化对材料的保温性能影响不显著 ∀由表 x
可知 o对于 v型复合材料 o随着 °≥板厚度的增加 o材料的保温
性能增强 ∀由于 u种材料导热系数的差异 o当 °≥板在 x ∗ us
°°厚度范围内变化时 o对材料的整体保温性能影响较大 ~当
°≥板在 us ∗ vs °°厚度范围内变化时 o对材料的整体保温性
能影响较小 o即对于 v型复合材料 o°≥板的厚度取 tx ∗ us °°
为最佳 ∀
表 4 Σ值对 2 型复合材料的影响( Π= 40)
Ταβ .4 Τηειµ παχτ οφ Σ το τψπε 2 µατεριαλ
ΣΠ°° ΤtΠε ΤuΠε ΘΠk • #°pul
x s1yw{ wvw tx1{{v tw1zty
ts s1x|y ytt ty1tst tv1|vx
tx s1xxt tx| ty1uu{ tv1uyt
us s1xts |xw ty1wxu tu1yzx
ux s1wzx tt| ty1x|w tu1tyv
vs s1wwu |yu ty1zt| tt1ztx
表 5 Π值对 3 型复合材料的影响( Σ = 40)
Ταβ .5 Τηειµ παχτ οφ Πτο τψπε 3 µατεριαλ
ΠΠ°° ΤtΠε ΤuΠε ΘΠk • #°pul
x s1|wt w{t tw1suu ut1vyz
ts s1zv| uy{ tx1ty{ tz1uy{
tx s1ysx uxu tx1|uw tw1xyu
us s1xs| {zu ty1wx| tu1yw{
ux s1wv{ w|v ty1{xz tt1uux
vs s1v{v sw tz1tyv ts1tv
表 6 2 型和 3 型材料性能对比 ≠
Ταβ .6 Χοµ παρισον οφ τψπε 2 ανδ 3 µ ατεριαλ. σ περφορµανχε
型号 ×¼³¨ ΤtΠ ε ΤuΠ ε ΘΠk • #°pul ΡΠ≈°u#kŽ# • p tl 
u s1xts |xw ty1wxu tu1yzx t1tv
v s1xs| {zu ty1wx| tu1yw{ t1tv
≠秸秆复合墙体材料保温性能测试是委托哈尔滨工业大学建筑学院
建筑物理实验室进行的 ∀ ׫¨ «¨ ¤·³µ¨¶¨µ√¤·¬²± ³¨µ©²µ°¤±¦¨ ²©¶·µ¤º ¦²°³²¶¬·¨
º¤¶·¨¶·¥¼ …∏¬¯§¬±ª °«¼¶¬¦¶¤¥²µ¤·²µ¼o„µ¦«¬·¨¦·∏µ¨ ≥¦«²²¯ o ‹¤µ¥¬± Œ±¶·¬·∏·¨ ²©
× ¦¨«±²¯²ª¼q
图 v u种复合材料的温度分布图
ƒ¬ªqv ׫¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©·º²¦²°³²¶¬·¨ °¤·¨µ¬¤¯¶
当厚度分布为 usΠwsΠus时 o对比 u型和 v
型复合村料保温性能 o如表 y所示 o实测结果为
u种材料热阻值 Ρ 相同 oΡ 为 t1tv °u #kŽ#
• p tl ∀xs ¦°厚砖墙的热阻值为 s1|z °u#kŽ#
• p tl o由此可见 }v型复合材料的保温性能好于
xs ¦°厚砖墙的保温性能 ∀
„‘≥≠≥模拟的结果是 }u种材料保温性能
基本相同 o但温度分布有差异 o具体差异如图 v所示 ∀模拟结果说明 }利用 „‘≥≠≥软件来模拟秸秆墙体材料
保温性能这种方法是可行的 o结果是可靠的 ∀v型材料靠室内一侧温度稍高于 u型材料 o因为 v型复合材料
靠室内一侧为聚苯乙烯板 o热阻较大 o所以在瞬态升温时 ov型复合材料的升温速度较快 o相应的室内热舒适
性较好 ∀单从保温角度讲 ov型材料要稍好于 u型材料 ∀
wut 林 业 科 学 wv卷
312 均匀试验
单因素试验分析了当 Π!Σ分别变化时 o对复合材料保温性能的影响 o结果是厚度相同的 u型和 v型复
合材料 o其保温性能几乎相等 ~通过均匀试验可以分析 Π!Σ同时变化时 o对 u型和 v型复合材料保温性能的
影响 ∀
试验采用 w因素 z水平的均匀设计表 o即 ˜zwk均匀性偏差 € s1tx{ ul ow因素分别为稻草板厚度 Π!导热
系数 !°≥板厚度 Σ !热流密度 ∀本试验只考虑其中的 Π和 Σ o故只选取第 t !v两列 ∀z水平按顺序设 Π取值 }
ts !tx !us !ux !vs !vx !ws oΣ取值 }| !tu !tx !t{ !ut !uw !uz o计算结果见表 z !{ ∀
表 7 2 型复合材料均匀试验
Ταβ .7 Τηε υνιφορµ τεστ οφ τψπε 2 χοµ ποσιτε
‘²q ΠΠ°° ΣΠ°° ΘΠk • #°pul
t ts ut ut1suy
u tx tu ut1|vy
v us uz tx1{u{
w ux t{ ty1uty
x vs | ty1yxx
y vx uw tv1syy
z ws tx tv1uyt
表 8 3 型复合材料均匀试验
Ταβ .8 Τηε υνιφορµ τεστ οφ τψπε 3 χοµ ποσιτε
‘²q ΣΠ°° ΠΠ°° ΘΠk • #°pul
t ts ut tw1uy|
u tx tu t|1utv
v us uz tt1xzv
w ux t{ tw1wtx
x vs | t|1v{w
y vx uw tt1zsx
z ws tx tw1xyu
对计算结果进行相关分析可知 }对于 u种复合材料 oΘ与 Π均高度负相关 ∀对计算结果进行回归分析
可知 o对于 u种复合材料得到 Π!Σ关于 Θ的回归方程为 }Θ € p s1vsyΠ p s1uutΣ n u{1w|t ouΣ n Π€ Λo
即 }Θ€ s1v|tΣ n u{1w|t p s1vsyΛ∀式中 }Π为 °≥板厚度 ~ Σ为稻草板厚度 ~ Λ为复合材料总厚度 ∀
w 结论
本文使用 „‘≥≠≥有限元软件真实地模拟了在冬季条件下 o热量由室内通过制作的复合板向室外传递的
过程 ~模拟出了稳态条件下 o复合材料截面上的的温度场的分布 !热流密度和温度梯度 ∀通过单因素试验和
均匀试验得出结论如下 }
tlt型材料的厚度为 us °°时其保温性能最佳 ou型材料的保温性能与稻草板厚度关系不显著 ov型材
料中 °≥板厚度为 tx ∗ us °°时复合材料的保温性能最佳 ~
ul当厚度分布为 usΠwsΠus时 ou型和 v型复合材料的热阻值相同 o为 t1tv °u#kŽ# • p tl o与 xs ¦°厚砖墙
的热阻值相比 o保温性能优于 xs ¦°厚砖墙的保温性能 ~
vlu型材料和 v型材料的保温性能基本相同 o但从 u型和 v型材料的温度分布看 ov型材料升温速度较
快 o室内舒适性好 o因此 v型材料保温性能好于 u型材料 ~
wl分析均匀试验结果可知 o热流密度 Θ与 °≥板厚度高度负相关 o对计算结果进行回归分析 o得出 Θ与
Π!Σ的回归方程 ∀
参 考 文 献
过梅丽 qussu1 高聚物与复合材料的动态力学热分析 q北京 }化学工业出版社 o{ p tt
李凯夫 o彭万喜 qussw1 国内外秸秆制人造板的研究现状与趋势 q世界林业研究 okul }vw p vy
商跃进 qussx1 有限元原理与 „‘≥≠≥应用指南 q北京 }清华大学出版社 ot{w p t|u
唐兴伦 o范群波 qussv1 „‘≥≠≥工程应用教程 ) ) ) 热与电磁学篇 q北京 }中国铁道出版社 oxx p ys
谢春良 qt|||1 稻草板面临新的发展机遇 q新型建筑材料 okwl }w p x
许 民 o李 帅 o王克奇 o等 qussy1 麦秸Π聚丙烯复合材料的动态力学和微观性能分析 q东北林业大学学报 ozkwl }yt p yv
许建柳 qussw1 复合材料墙体的室内温度响应 q东南大学硕士学位论文 ous p ux
易咸煜 qussx1 双层玻璃保温特性的影响因素分析 q实验科学与技术 ots }tys p tyu
张建峰 o王翠玲 qussw1 „‘≥≠≥有限元分析软件在热分析中的应用 q冶金能源 o|kxl }| p tu
张亚欧 o谷志飞 qussw1 „‘≥≠≥ z1s有限元分析实用教程 q北京 }清华大学出版社 ov{u p v|{
张威振 qussx q稻草板的研究生产与应用 q广东建材 okul }ux p uz
‹²µ±¶¥¼ ° • o‹¬±µ¬¦«¶¨± ∞oפµ√ µ¨§¬Žqt||z1 °µ¨³¤µ¤·¬²±¤±§³µ²³¨µ·¬¨¶²©³²¯¼³µ²³¼¯ ±¨¨ ¦²°³²¶¬·¨¶µ¨¬±©²µ¦¨§º¬·«º«¨¤·¤±§©¯¤¬¶·µ¤º©¬¥µ¨¶°¤µ·ŒŒq„±¤¯¼¶¬¶
²©¦²°³²¶¬·¨ °¬¦µ²¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤±§ ° ¦¨«¤±¬¦¤¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶q²∏µ±¤¯ ²© ¤·¨µ¬¤¯¶≥¦¬¨±¦¨ ovukwl }{{y p {{z
k责任编辑 石红青l
xut 第 tu期 许 民等 }基于 „‘≥≠≥的稻草Π°≥层合复合材料保温性能仿真分析