全 文 ：第 wu卷 第 ts期
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林 业 科 学
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蒙特卡罗方法在纤维热磨中应用的可行性初探
马 岩 杨春梅
k东北林业大学林业与木工机械工程技术中心 哈尔滨 txsswsl
关键词 } 蒙特卡罗 ~人造板 ~纤维 ~可行性
中图分类号 }×≥yxv1y 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylts p stww p sv
收稿日期 }ussx p sx p s{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kvsxztwxxl o黑龙江省攻关资助项目kŠ≤sw„ystl ∀
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Κεψ ωορδσ} ²±·¨ ≤¤µ¯²~º²²§p¥¤¶¨§~©¬¥¨µ~©¨¤¶¬¥¬¯¬·¼
1 热磨机磨削过程的蒙特卡罗模拟理论的研究意义
我国是世界上最大的人造板生产国 o包括生产线的条数 !总产量和出口量都位居世界前列 ∀近 v年来 o
我国 ⁄ƒ生产能力每年平均增长 utz万 °v o新增生产线 w|条 o预计到 ussx年我国将建成投产的中Π高密度
纤维板生产线 wxs条 o总生产能力 t {xs万 °v ~ ⁄ƒ生产厂家有 xtz家 o总设计年生产能力达 t tu{1vv万 °v
k陈绪和 ousswl ∀我国人造板工业产品品种少 o技术含量低 o深加工和高新技术产品及特殊用途产品比率小 o
应用范围窄 ~企业生产规模小 o多数企业技术水平低 o缺乏技术开发和创新能力 o产品质量及环保标准落后 o
在产品质量 !能耗 !劳动生产率 !自动化程度及对粉尘 !噪声 !污水的控制等方面落后于发达国家 o缺乏国际竞
争力k朱瑞华等 ousswl ∀
我国已经成为世界人造板生产的大国 o但并不是强国 o我国人造板机械的水平和国际先进水平相比相差
甚远 ∀限制单线生产能力提高的主要瓶颈是目前还不能生产大型的热磨机和连续压机 ∀在 ⁄ƒ生产中 o热
磨是纤维形成的最关键工序 o纤维的形态直接影响 ⁄ƒ的质量 ~并且 ⁄ƒ生产中纤维的分离是能耗最高的
一道工序 o它所消耗的能量大约占总能耗的 ws h ∗ xs h o所以也就很大程度决定了纤维板的生产成本 ∀
热磨法工艺比较复杂 o生产过程包含机械 !物理和化学等作用 o影响纤维质量因素较多 o因此必须适当选
择工艺参数 o才能生产出优质纤维 ∀如果能够对热磨机的纤维加工过程进行模拟 o对纤维切削过程中所受的
力进行分析 o建立纤维分离过程中的力学模型 o从而对纤维加工过程中功率的消耗进行定量计算 o就能找到
热磨机功耗大的本质原因 o提出科学的改进方案 ∀对我国自主制造大规模 !高水平的热磨机奠定理论基础 o
为我国自主设计的热磨机图纸进行计算机模拟检验 o对实际应用都有重大意义 ∀
目前 o⁄ƒ生产存在的问题主要是能耗高 o热磨切削过程理论不成型 o热磨机的参数都是靠经验确定
的 o缺少过程分析 ∀在人造板工业中 o热磨机基本形式近 {s年没有什么变化 o这是由于热磨机单机成本比较
高 o大型热磨机一般在上千万元左右 o没办法通过做试验样机来进行测试研究 ∀因此 o大型热磨机的研究 o必
须像电站系统和航天系统一样通过仿真来模拟实际的加工过程 o以得到最佳的工艺参数 ∀采用蒙特卡罗理
论改变上百年历史的设备具有一定的实用价值 ∀
2 蒙特卡罗方法的基本原理
蒙特卡罗方法以随机模拟和统计试验为手段 o是一种从随机变量的概率分布中 o通过随机选择数字的方
法产生一种符合该随机变量概率分布特性的随机数值 o作为输入变量系列进行特定的模拟试验和求解的方
法 ∀在应用蒙特卡罗方法时 o要求产生的随机数序列符合该随机变量特定的概率分布 ∀而产生各种特定的
和不均匀的概率分布的随机数序列 o可行的方法是产生一种均匀分布的随机数序列 o设法转换成特定要求的
概率分布的随机数序列 o以此作为数字模拟试验的输入变量序列进行模拟求解 ∀步骤如下 }tl建立概率模
型 o即对所研究的问题构造一个符合其特点的概率模型k随机事件 !随机变量等l o包括对确定性问题 !序跋具
体问题变为概率问题建立概率模型 ~ul产生随机数序列 o作为系统的抽样输入进行数字模拟试验 o得到大量
的模拟试验值 ~vl对模拟试验结果进行统计处理k计算频率 !均值等特征值l o给出所求问题的解和解的准确
度估计 ∀
蒙特卡罗方法可以用来求解某些确定性问题 o特别是工程技术中的数学模型问题k如计算机高维积分 !
求解代数方程组合计算逆矩阵等l o在一般的解析法或数值法求解困难时尤为有效 ∀
3 蒙特卡罗热磨模拟结果的统计和处理方法简述
对于一个具体问题 o通过建立概率模型 o产生随机数以及对概率模型进行随机抽样试验 o即得到所需要
的模拟结果 o蒙特卡罗方法最终以算术平均值作为求解的近似平均数 o并对其准确度及方差或标准差进行计
算 ∀运用计算机采用分子模拟的方法来研究吸附质分子与活性炭表面的相互作用 !吸附行为 !吸附平衡等成
为目前活性炭乃至整个吸附学科研究的一个前沿课题 ∀蒙特卡罗方法被公认为是研究吸附较好的方法之
一 o简单地说 o该方法是以木片磨盘间的切削力分子间的相互作用及分子力为基础 o以统计方法k或称统计试
验l为手段 o采用现代计算机对流体与固体间相互作用过程进行模拟计算 o给出在这种相互作用下流体系统
达到平衡状态的有关性质 ∀由于起初是讨论木片与磨盘之间的相互作用 o也是从分子尺度的层次上来讨论
运动固体和固定固体的相互作用 o因而 o此方法适用于讨论木片的磨削特性 ∀
近年来 o蒙特卡罗计算机模拟在切削特性以及纳微米材料结构表征和新材料设计方面得到应用 o¤¼¶
等kt||yl在活性炭孔壁厚及孔壁上存在的缺陷而可能对其吸附特性产生的影响和对已有用于试验分析得到
的吸附等温线方面进行了验证尝试 ~运用巨正则蒙特卡罗方法模拟了活性炭上的混合吸附 o将计算机模拟
结果与试验数据及 Œ„≥×预测值进行了比较 o发现与实际数据吻合得相当好 o与 Œ„≥×的理论结果比较一致 ∀
印有法等kt||{l用此方法模拟活性炭上的吸附氮和甲烷的基本特征也取得了较好的结果 ∀
4 蒙特卡罗在纤维热磨中的应用过程
热磨法进行纤维分离是一种多维复杂的空间运动 o纤维所受诸力是多维动载荷或冲击载荷 o有相当一部
分作用力做无用功 ~而且有的切削力加载在纤维切断破坏所需消耗极大功率的方向上 o浪费了大量能源 ∀
力的作用频率还影响纤维的分离产量与质量 o确定合理的参数改善热磨机的磨削性能和提高效率是本研究
的重点 ∀选择常见树种为样本 o以刀盘转速 !刀盘直径 !功率 !木片尺寸k长 !宽 !厚l等为参数 o进行蒙特卡罗
模拟仿真 o因为木片进入热磨机加工过程符合马尔科夫过程 ∀马尔科夫过程作为随机游动过程 o它在游走中
任一阶段的行为都不被先前游动过程的历史所限制 ∀木片放入到热磨机是随机的 o它在热磨机中的受力过
程也是随机的 o并且仅受前一次受力的影响 o符合马尔科夫过程 o可以进行蒙特卡罗模拟 ∀
第一步对目前热磨机的工作原理进行分析 o确定蒙特卡罗模拟的加工参数 ∀热磨纤维是将预热木片在
磨齿间作用的过程 ∀对木片来说 o在热磨机内所受的作用力和作用次数是满足下列 u个条件样本序列的马
尔科夫链 }tl磨盘上的每个木片都属于一个有限的木片样本集合 o这一集合称为木片状态空间 ~ul磨盘上除
第一个木片样本点以外 o任一木片样本点的出现几率都仅与这个木片样本前一次点的位置有关 ∀当马尔科
夫过程中每一木片状态都可以达到过程顺应的状态 o热磨机木片磨削从某一状态出发经过有限步后返回此
状态的概率为 t时 o这样的马尔科夫链遵从某个唯一的分布 o即任一初始状态变化只要遵循这样的马尔科夫
链 o中间无论经历什么过程 o最终总能逐渐趋近于某个确定状态 ) ) ) 马尔科夫的状态 ∀
用蒙特卡罗方法对热磨机的纤维加工过程进行模拟 o以随机模拟和统计试验为手段 o从随机变量的概率
分布中 o通过随机选择数字的方法模拟木片进入热磨机产生符合该随机变量概率分布特性的随机数值序列 o
作为输入变量序列进行特定的模拟试验 !求解的方法 ∀基本思想就是首先建立一个热磨过程的概率模型 o然
后产生一系列随机数模拟热磨机动力学参数求解问题的过程 o最后进行统计性的处理 o得出这个参数的统计
xwt 第 ts期 马 岩等 }蒙特卡罗方法在纤维热磨中应用的可行性初探
估计值 ∀
5 蒙特卡罗在木材工业领域的其他应用
目前 o蒙特卡罗模拟方法在流体力学和切削理论研究方面取得了一些进展 ∀它对纳微米切削的随机误
差干扰 !最大弯矩的求解非常适用 o这对木材切削理论分析是可能产生突破性进展的 o它对植物与基因变异
理论与实践 !木材类高分子科学理论研究 !人造板的结构及热力学性质的影响等领域都会取得一定的成果 ∀
6 蒙特卡罗在纤维热磨中的应用展望
热磨工序如何降耗是人造板行业中节能的一个瓶颈 ∀针对人造板行业木纤维加工过程中消耗功率较大
的问题 o本着节能降耗的原则 o对热磨机的切削机理进行深入研究 ∀通过蒙特卡罗模拟纤维的磨削状态 o对
影响热磨机磨削纤维的参数进行定量分析和模拟 o得出更加合理的切削参数 o以提高纤维的质量 o降低纤维
加工的能耗 o从而提高我国纤维板生产的质量 o降低成本 o增强我国 ⁄ƒ的国际竞争力 ∀因而 o本理论研究
是一个崭新的课题 o在热磨机的理论研究上具有广泛的应用前景 ∀
参 考 文 献
陈绪和 qussw q人造板工业发展态势 o中国林学会木材工业分会论文集 ovw p wt
朱瑞华 o岳群飞 o李道育 qussw q国产人造生产线现状与发展设想 ) ) ) 当代林木机械博览 q北京 }中国林业出版社 otzt p tzv
印有法 o朱卫华 qt||{ q巨正则系宗蒙特卡罗法研究活性炭吸附 q碳素技术 okul }t p x
¤¼¶× o¨¦¤±¨ §  ⁄qt||y qƒ∏±§¤° ±¨·¤¯¶²©¤§¶²µ³·¬²±q…²¶·²±} Ž¯∏º µ¨„¦¤§¨ °¬¦°∏¥¯¬¶«¨µ¶ot||y
k责任编辑 石红青l
5植物学通报6征订启事
5植物学通报6kŒ≥≥‘tssv p uuyy o≤‘tt p t|wxΠ±l是中国科学院植物研究所和中国植物学会共同主办出
版的综合性学术刊物 o主要刊登植物学各学科有创新的原始研究论文和快讯 o并发表植物科学重要领域的综
述国际最新进展的文章 ∀期刊的定位是以中文k英文摘要l及时 !快速和全面地反映我国植物科学及其相关
学科研究的最新成果 ∀
5植物学通报6是全国优秀期刊 !中国自然科学核心期刊和中国期刊方阵/双效0期刊 ∀目前已被国内外
多家著名检索系统收录 ∀在新一届编委会k主编 }种康l成立的契机下 o为了将刊物推向一个新的高度 oussy
年起 o我刊开始了跨越式改革 }新增主编评述文章k每年 t篇l ~ussy年 x期组织出版了/激素香山会议专辑0 o
以后各期将陆续出版/植物进化发育0 ! /植物生殖发育0等专题 ∀ussx年的影响因子 s qxs{k数据来源 }中国
科技信息研究所l ∀
5植物学通报6k双月刊l o单月初出版 o国内定价 ws元Π期 o全年定价 uws元k人民币l ∀
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