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, 包括生产线的条数、总产量和出口量都位居世界前列。近3年来, 我国MDF生产能力每年平均增长217万m³, 新增生产线49条, 预计到2005年我国将建成投产的中/高密度纤维板生产线450条, 总生产能力1 850万m³; MDF生产厂家有517家, 总设计年生产能力达1 128.33万m³ (陈绪和, 2004)。我国人造板工业产品品种少, 技术含量低, 深加工和高新技术产品及特殊用途产品比率小, 应用范围窄; 企业生产规模小, 多数企业技术水平低, 缺乏技术开发和创新能力, 产品质量及环保标准落后, 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, 缺乏国际竞争力(朱瑞华等, 2004)。

我国已经成为世界人造板生产的大国, 但并不是强国, 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MDF生产中, 热磨是纤维形成的最关键工序, 纤维的形态直接影响MDF的质量; 并且MDF生产中纤维的分离是能耗最高的一道工序, 它所消耗的能量大约占总能耗的40%~50%, 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, 生产过程包含机械、物理和化学等作用, 影响纤维质量因素较多, 因此必须适当选择工艺参数, 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, 对纤维切削过程中所受的力进行分析, 建立纤维分离过程中的力学模型, 从而对纤维加工过程中功率的消耗进行定量计算, 就能找到热磨机功耗大的本质原因, 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, 为我国自主设计的热磨机图纸进行计算机模拟检验, 对实际应用都有重大意义。

目前, MDF生产存在的问题主要是能耗高, 热磨切削过程理论不成型, 热磨机的参数都是靠经验确定的, 缺少过程分析。在人造板工业中, 热磨机基本形式近80年没有什么变化, 这是由于热磨机单机成本比较高, 大型热磨机一般在上千万元左右, 没办法通过做试验样机来进行测试研究。因此, 大型热磨机的研究, 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, 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, 是一种从随机变量的概率分布中, 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, 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, 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, 可行的方法是产生一种均匀分布的随机数序列, 设法转换成特定要求的概率分布的随机数序列, 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:1)建立概率模型, 即对所研究的问题构造一个符合其特点的概率模型(随机事件、随机变量等), 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; 2)产生随机数序列, 作为系统的抽样输入进行数字模拟试验, 得到大量的模拟试验值; 3)对模拟试验结果进行统计处理(计算频率、均值等特征值), 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, 特别是工程技术中的数学模型问题(如计算机高维积分、求解代数方程组合计算逆矩阵等), 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, 通过建立概率模型, 产生随机数以及对概率模型进行随机抽样试验, 即得到所需要的模拟结果, 蒙特卡罗方法最终以算术平均值作为求解的近似平均数, 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, 简单地说, 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, 以统计方法(或称统计试验)为手段, 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, 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, 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, 因而, 此方法适用于讨论木片的磨削特性。

近年来, 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, Mays等(1996)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, 将计算机模拟结果与试验数据及IAST预测值进行了比较, 发现与实际数据吻合得相当好, 与IAST的理论结果比较一致。印有法等(1998)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, 纤维所受诸力是多维动载荷或冲击载荷, 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, 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, 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, 以刀盘转速、刀盘直径、功率、木片尺寸(长、宽、厚)等为参数, 进行蒙特卡罗模拟仿真, 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, 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, 它在热磨机中的受力过程也是随机的, 并且仅受前一次受力的影响, 符合马尔科夫过程, 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, 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, 在热磨机内所受的作用力和作用次数是满足下列2个条件样本序列的马尔科夫链:1)磨盘上的每个木片都属于一个有限的木片样本集合, 这一集合称为木片状态空间; 2)磨盘上除第一个木片样本点以外, 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, 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1时, 这样的马尔科夫链遵从某个唯一的分布, 即任一初始状态变化只要遵循这样的马尔科夫链, 中间无论经历什么过程, 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, 以随机模拟和统计试验为手段, 从随机变量的概率分布中, 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, 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, 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, 最后进行统计性的处理, 得出这个参数的统计估计值。

5 蒙特卡罗在木材工业领域的其他应用

目前, 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, 这对木材切削理论分析是可能产生突破性进展的, 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, 本着节能降耗的原则, 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, 对影响热磨机磨削纤维的参数进行定量分析和模拟, 得出更加合理的切削参数, 以提高纤维的质量, 降低纤维加工的能耗, 从而提高我国纤维板生产的质量, 降低成本, 增强我国MDF的国际竞争力。因而, 本理论研究是一个崭新的课题, 在热磨机的理论研究上具有广泛的应用前景。