基于A(yíng)NSYS的顆粒飼料擠壓過(guò)程仿真分析

■彭 飛 王紅英 楊 潔 康宏彬 李 恒

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)部國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京 100083）

顆粒飼料的制粒是指將粉狀飼料原料或粉狀飼料經(jīng)過(guò)水、熱調(diào)制并通過(guò)機(jī)械擠壓且強(qiáng)制通過(guò)?？锥酆铣尚蔚倪^(guò)程。制粒后的顆粒飼料具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可避免動(dòng)物挑食；②飼料報(bào)酬率高；③貯存運(yùn)輸更為經(jīng)濟(jì)；④流動(dòng)性好，便于管理；⑤避免飼料成分自動(dòng)分級(jí)，減少環(huán)境污染；⑥殺滅動(dòng)物飼料中的沙門(mén)氏菌等[1]。因此，顆粒飼料具有廣泛的適用性[2]。擠壓作為顆粒飼料的成形階段，直接影響著顆粒的品質(zhì)和制粒效率，對(duì)飼料的加工生產(chǎn)具有重要意義，已經(jīng)越來(lái)越受到飼料企業(yè)的高度關(guān)注。

ANSYS是一種大型有限元分析軟件，功能強(qiáng)大，可以模擬結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等領(lǐng)域的各種復(fù)雜物理現(xiàn)象。近年來(lái)，該軟件在我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、航空航天、交通、化工、能源、生物等行業(yè)得到了大量的應(yīng)用[3-6]。就顆粒擠壓成形而言，由于擠壓的機(jī)理復(fù)雜，擠壓時(shí)物料又是在密閉的?？字辛鲃?dòng)，因此對(duì)擠壓過(guò)程中物料的流動(dòng)情況及物料和模具的應(yīng)力應(yīng)變情況難以掌握，近幾年學(xué)者對(duì)擠壓成形的研究主要側(cè)重于配方和工藝方面。為此，本文以顆粒飼料擠壓過(guò)程中的物料和?？鬃鳛檠芯繉?duì)象，采用ANSYS中的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)成形過(guò)程仿真技術(shù)，對(duì)飼料擠壓成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，從而研究飼料的成形機(jī)理和成形過(guò)程中物料和模孔的應(yīng)力、應(yīng)變及其歷史演化規(guī)律，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 擠壓過(guò)程力學(xué)分析

顆粒制粒機(jī)的擠壓成形過(guò)程，是建立在粉粒體間存在間隙的基礎(chǔ)上在溫度、摩擦力和擠壓力等綜合因素的作用下，粉粒體的空隙縮小，形成具有一定密度和強(qiáng)度的顆粒。根據(jù)粉料在擠壓過(guò)程中不同的狀態(tài)，將其分為3個(gè)區(qū)，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形區(qū)[7]（見(jiàn)圖1）。①供料區(qū)：物料基本不受機(jī)械外力的影響，但它受離心力的影響（環(huán)模旋轉(zhuǎn)），使粉料緊貼在環(huán)模的內(nèi)圈上，密度為0.4～0.7 g/cm3。②變形壓緊區(qū)：隨著模輥的旋轉(zhuǎn)，物料進(jìn)入壓緊區(qū)，受到模輥的擠壓作用，粉料之間產(chǎn)生相對(duì)位移。隨著擠壓力的繼續(xù)增大，粉粒體間空隙逐步縮小，物料產(chǎn)生不可逆的變形，密度增加到0.9～1.0 g/cm3。③擠壓成形區(qū)：在成形區(qū)內(nèi)，模輥間隙較小，擠壓力急劇變化，粉粒體之間接觸表面積增大，產(chǎn)生較好的粘結(jié)，并被壓入?？?。物料由于產(chǎn)生彈性形變和塑性形變等組合變形，形成的顆粒密度達(dá)到1.2～1.4 g/cm3。

圖1 制粒原理

制粒機(jī)通過(guò)壓輥對(duì)物料的擠壓作用，將顆粒飼料由模孔擠壓出來(lái)。在擠壓成形區(qū)，位于?？字械奈锪鲜艿捷S向的擠壓力和環(huán)模內(nèi)壁對(duì)其的摩擦力；物料受到的擠壓力克服摩擦力，最后被擠壓出?？?。模孔距出口任意位置處的擠壓壓強(qiáng)受力模型如圖2所示[8]。

式中：PN0—預(yù)緊壓強(qiáng)（N/mm2）；

VLR—物料泊松比；

f—物料與?？字g的摩擦系數(shù)；

x—計(jì)算截面距離出料孔口的距離（mm）；rh—?？装霃剑╩m）。

2 建立有限元模型

2.1 模型類(lèi)型的確立

圖2 ?？變?nèi)物料受力示意圖

由于受到壓輥的擠壓作用，松散的物料到達(dá)擠壓成形區(qū)后擠壓粘結(jié)在一起。為便于研究，可將物料視為可壓縮的連續(xù)體，根據(jù)連續(xù)體彈塑性力學(xué)的理論來(lái)研究其變形情況。

2.2 幾何模型的確立

該問(wèn)題屬于狀態(tài)非線(xiàn)性大變形接觸問(wèn)題。選取物料的一部分作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究物料在環(huán)模孔內(nèi)的受力情況，其作用過(guò)程模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)?？缀臀锪系妮S對(duì)稱(chēng)性，選擇擠壓物料和?？妆诳v截面的1/2建立幾何模型；在定義單元類(lèi)型時(shí)選擇Axisymmetric。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，不同類(lèi)型飼料的?？字睆皆?.0～9.5 mm，取物料的某一段為研究對(duì)象，設(shè)其大小為0.006 m×0.012 m。

2.3 材料參數(shù)

在飼料擠壓成形過(guò)程中，通過(guò)建立接觸對(duì)來(lái)模擬物料與?？妆诘南嗷ソ佑|擠壓。在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有摩擦產(chǎn)生，因此，需建立物料、?？妆凇⒔佑|單元3種材料模型，相應(yīng)的材料編號(hào)為1,2,3。材料的相應(yīng)參數(shù)可查閱有關(guān)資料，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

2.4 劃分單元

在有限元分析過(guò)程中，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，可將模型簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題，擬采用ANSYS中的plane183。plane183是高階2維8節(jié)點(diǎn)單元，既可以用作平面單元（平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和廣義平面應(yīng)變），也可用作軸對(duì)稱(chēng)單元。本單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)變的能力。

在模型的網(wǎng)格劃分過(guò)程中，為了能夠?qū)?jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行有效地控制，對(duì)網(wǎng)格的劃分要求非常細(xì)密。對(duì)環(huán)?？走M(jìn)行自由劃分，網(wǎng)格單元尺寸為0.001 m；物料采用映射劃分，網(wǎng)格單元尺寸0.000 6 m。劃分的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 建模與網(wǎng)格劃分

2.5 建立接觸對(duì)

本文屬于典型的剛體—柔體的面—面接觸問(wèn)題，使用目標(biāo)單元169和接觸單元172，將柔性面-物料作為接觸面處理，將剛性面-?？鬃鳛槟繕?biāo)面處理。

2.6 定義載荷和約束

對(duì)?？资┘庸潭s束，使其固定不能移動(dòng)。在物料的頂部施加向下的載荷和位移，模擬物料受到壓輥對(duì)其的擠壓力和在該力作用下產(chǎn)生的位移。

由于本例為非線(xiàn)性問(wèn)題，為避免計(jì)算過(guò)程中的不收斂的情況，在求解前，作些有利于收斂點(diǎn)的規(guī)定[9]：將Analysis option中設(shè)Large deform effect為on；將牛頓-拉普森（New-Raphon）選項(xiàng)設(shè)置為FULL；打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，啟動(dòng)線(xiàn)性搜索和設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)進(jìn)行求解。

3 受力情況分析

進(jìn)入ANSYS的后處理模塊可以得到一系列分析結(jié)果。后處理模塊包括通用后處理模塊和時(shí)間歷程相應(yīng)后處理模塊。通用后處理模塊可以用于查看整個(gè)模型或選定的部分模型在某一子步或時(shí)間步的結(jié)果；而時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊用于查看特定點(diǎn)在某一時(shí)間步的結(jié)果。

圖5 徑向應(yīng)力等直線(xiàn)

圖6 軸向應(yīng)力等直線(xiàn)

圖7 徑向應(yīng)變等直線(xiàn)

圖8 等效應(yīng)力等直線(xiàn)

從圖5～圖8可以看出，在擠壓成形過(guò)程中，物料受到頂部擠壓力和?？變?nèi)壁摩擦力的綜合作用，物料應(yīng)力呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：隨著物料的不斷擠壓，物料底部應(yīng)力越來(lái)越大，越來(lái)越致密；物料越靠近?？變?nèi)壁，所受的擠壓力和變形越大，越靠近物料中心，所受的擠壓力和變形逐漸減小。

圖9 摩擦應(yīng)力等直線(xiàn)

從圖9可以看出，物料進(jìn)入環(huán)?？缀?，同時(shí)受到頂部壓輥的擠壓力和?？椎哪Σ亮?；在?？椎菇翘?，物料受到的摩擦力較為均勻，在?？椎菇呛椭笨椎慕佑|處，物料受到接觸摩擦力最大；進(jìn)入直孔以后，物料外側(cè)由于受到摩擦阻力的影響，流動(dòng)性會(huì)滯后于內(nèi)部，擠出后的顆粒飼料沿直徑方向會(huì)產(chǎn)生彈性膨脹和彈性滯后現(xiàn)象，存在一定的內(nèi)應(yīng)力，這是導(dǎo)致纖維含量高的顆粒飼料橫向裂紋的部分原因。

4 結(jié)論

結(jié)合顆粒飼料擠壓成形的主要特點(diǎn)和物料在環(huán)?？變?nèi)的受力情況，應(yīng)用ANSYS對(duì)物料的擠壓成形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。研究了擠壓過(guò)程中飼料的流變特性，得到了應(yīng)力、應(yīng)變圖和摩擦應(yīng)力圖，結(jié)果表明：?？资艿降淖畲髴?yīng)力是在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，因此物料不會(huì)對(duì)環(huán)?？桩a(chǎn)生破壞；物料越靠近?？妆冢瑧?yīng)力和應(yīng)變?cè)酱?，具有一定的層次性；物料進(jìn)入倒角區(qū)開(kāi)始，等效應(yīng)力逐漸增大，進(jìn)入通孔以后，等效應(yīng)力變化平緩；物料外側(cè)由于受到摩擦阻力的影響，流動(dòng)性滯后于內(nèi)部，可能會(huì)導(dǎo)致顆粒飼料產(chǎn)生橫向裂紋。本實(shí)驗(yàn)的方法和結(jié)果，可以為?？捉Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、顆粒飼料品質(zhì)和制粒性能的提高提供新的方法和理論依據(jù)。