我国是农业大国，每年农作物秸秆类剩余物大于10亿t，其中70%为稻草和麦秸，这是一类巨大的可再生资源(李凯夫等，2004)。大部分因无法合理利用而在田间焚烧，既浪费资源又污染环境，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(PS)板复合，制作新型层合复合材料，作为具有一定保温、隔音性能的墙体材料的芯板(许民等，2006; 谢春良，1999)。

大型有限元软件ANSYS其热分析功能非常强大，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(张建峰等，2004)。本文采用ANSYS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，为复合材料的设计提供技术指导(商跃进，2006；Hornsby et al., 1997)。

1 ANSYS热分析软件的建模

ANSYS热分析基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元(包含若干节点)，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，由此计算出各节点温度，进一步求解出其他相关量(唐兴伦等，2003)。

1.1 建立复合材料的物理模型

本试验建立的模型如图 1所示。

1.2 对模型进行有限元的网格划分

本试验是用ANSYS方法分析不同的材料厚度对复合材料保温性能的影响(张亚欧等，2004; 过梅丽，2002)，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，只在能表征厚度的侧面建模并划分网格。以2型复合材料为例加以说明，稻草板的厚度为20 mm，PS板厚度为40 mm。复合后材料长300 mm，宽80 mm。以1 mm×0.5 mm的网格大小进行划分，共分为480个，如图 2所示。

2 模拟试验 2.1 试验条件

稻草板厚为S，PS板厚为P，靠室外侧墙体表面温度为T₁，靠室内侧墙体表面温度为 T₂，单位时间、单位面积内室内的热量损失为热流密度，用Q表示，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0 ℃，室外空气对流系数为20 W·m^-2K^-1，室内温度为20 ℃，室内空气对流系数为3.6 W·m^-2K^-1(易咸煜, 2005; 许建柳, 2004)。

2.2 导热系数

稻草板为自主研制的产品，导热系数K大体取值范围为0.1~0.5 W·m^-1K^-1。分析厚度分布为20/40/20时，K的取值对2型、3型复合材料温度场分布T₁、T₂和热流密度Q的影响，结果见表 1、2。由表 1、2可知：当稻草板导热系数K取值在0.1~0.5 W·m^-1K^-1内变化时，对于2型和3型复合材料的影响很小。实测密度为0.6 g·cm^-3的稻草板导热系数为0.108 W·m^-1K ^-1，因此，本试验中稻草板导热系数K取0.1 W·m^-1K^-1(张威振，2005)。

2.3 试验方法

使用单因素试验方法，计算S对1型、S对2型、P对3型复合材料温度场分布T₁、T₂和热流密度Q的影响；使用均匀试验方法，计算S、P共同作用时对2型及3型复合材料温度场分布T₁、T₂和热流密度Q的影响。

3 结果与讨论 3.1 单因素试验

单因素试验计算结果见表 3—5。由表 3可知，随着稻草板厚度的增加，1型材料的保温性能不断增强；但是在不同的取值范围内，厚度对材料的保温性能影响不同：当厚度取值10~25 mm时，厚度的变化对材料的保温性能影响较大；当厚度取值25~60 mm时，厚度的变化对材料的保温性能影响较小。所以，综合考虑工艺等各方面因素，1型复合材料厚度取值为20 mm较佳。由表 4可知，对于2型复合材料，随着稻草板厚度的增加，材料的保温性能不断增强，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 5可知，对于3型复合材料，随着PS板厚度的增加，材料的保温性能增强。由于2种材料导热系数的差异，当PS板在5~20 mm厚度范围内变化时，对材料的整体保温性能影响较大；当P S板在20~30 mm厚度范围内变化时，对材料的整体保温性能影响较小，即对于3型复合材料，PS板的厚度取15~20 mm为最佳。

当厚度分布为20/40/20时，对比2型和3型复合村料保温性能，如表 6所示，实测结果为2种材料热阻值R相同，R为1.13 m²·(K·W^-1)。50 cm厚砖墙的热阻值为0.97 m²·(K·W^-1)，由此可见：3型复合材料的保温性能好于50 cm厚砖墙的保温性能。

ANSYS模拟的结果是：2种材料保温性能基本相同，但温度分布有差异，具体差异如图 3所示。模拟结果说明：利用ANSYS软件来模拟秸秆墙体材料保温性能这种方法是可行的，结果是可靠的。3型材料靠室内一侧温度稍高于2型材料，因为3型复合材料靠室内一侧为聚苯乙烯板，热阻较大，所以在瞬态升温时，3型复合材料的升温速度较快，相应的室内热舒适性较好。单从保温角度讲，3型材料要稍好于2型材料。

3.2 均匀试验

单因素试验分析了当P、S分别变化时，对复合材料保温性能的影响，结果是厚度相同的2型和3型复合材料，其保温性能几乎相等；通过均匀试验可以分析P、S同时变化时，对2型和3型复合材料保温性能的影响。

试验采用4因素7水平的均匀设计表，即U7⁴(均匀性偏差=0.1582)，4因素分别为稻草板厚度P、导热系数、PS板厚度S、热流密度。本试验只考虑其中的P和S，故只选取第1、3两列。7水平按顺序设P取值：10、15、20、25、30、35、40，S取值：9、12、15、18、21、24、27，计算结果见表 7、8。

对计算结果进行相关分析可知：对于2种复合材料，Q 与P均高度负相关。对计算结果进行回归分析可知，对于2种复合材料得到P、S关于Q的回归方程为：Q= -0.306P -0.221S + 28. 491，2S+P=L，即：Q = 0.391S+28.491-0.306L。式中：P为PS板厚度；S为稻草板厚度；L为复合材料总厚度。

4 结论

本文使用ANSYS有限元软件真实地模拟了在冬季条件下，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，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：

1) 1型材料的厚度为20 mm时其保温性能最佳，2型材料的保温性能与稻草板厚度关系不显著，3型材料中PS板厚度为15~20 mm时复合材料的保温性能最佳；

2) 当厚度分布为20/40/20时，2型和3型复合材料的热阻值相同，为1.13 m²·(K·W ^-1)，与50 cm厚砖墙的热阻值相比，保温性能优于50 cm厚砖墙的保温性能；

3) 2型材料和3型材料的保温性能基本相同，但从2型和3型材料的温度分布看，3型材料升温速度较快，室内舒适性好，因此3型材料保温性能好于2型材料；

4) 分析均匀试验结果可知，热流密度Q与PS板厚度高度负相关，对计算结果进行回归分析，得出Q与P、S的回归方程。