基于ANSYS的基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口優(yōu)化與試驗(yàn)

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，劉子暉，孫嘉憶，晁浚淇，董譯隆，劉鑫朕

基于ANSYS的基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口優(yōu)化與試驗(yàn)

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，劉子暉，孫嘉憶，晁浚淇，董譯隆，劉鑫朕

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866）

基質(zhì)草籽毯成型機(jī)以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈和牲畜糞便為主要原料，制作綠化用草坪，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷成型生產(chǎn)。針對(duì)現(xiàn)有成型機(jī)擠出口質(zhì)量較大，造成材料消耗多和螺栓連接負(fù)擔(dān)重的現(xiàn)象，以擠出口縮頸處長(zhǎng)度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Workbench19.2有限元軟件在靜態(tài)特性分析和參數(shù)化建?；A(chǔ)上，基于多目標(biāo)優(yōu)化的響應(yīng)面方法對(duì)擠出口模型進(jìn)行優(yōu)化，得到尺寸參數(shù)最優(yōu)值：縮頸處長(zhǎng)度180 mm、縮頸處寬度60 mm、料板厚度3.5 mm、螺栓孔直徑11 mm，此時(shí)擠出口部件最大變形和最大等效應(yīng)力較優(yōu)化前分別減小了35.95%和13.8%；為了進(jìn)一步優(yōu)化擠出口尺寸，利用拓?fù)鋬?yōu)化使零件總質(zhì)量減輕了36.60%。采用EDEM軟件對(duì)參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，得到成型顆粒密度和擠出顆粒質(zhì)量分別為1 383.2 kg/m3和2 709g。利用優(yōu)化結(jié)果制作樣機(jī)，與優(yōu)化前成型裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：成型顆粒密度和擠出顆粒質(zhì)量與優(yōu)化前相比分別提升5.84%和2.88%，進(jìn)一步發(fā)芽和烘干試驗(yàn)表明，優(yōu)化效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可為相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)提供理論參考。

秸稈；基質(zhì)；農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物；擠壓成型裝置；擠出口；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

傳統(tǒng)草坪生產(chǎn)一般在土壤上直接進(jìn)行建植，這種方式不僅占用大量耕地，且長(zhǎng)期生產(chǎn)使土壤耕作層受破壞[1-3]，隨著無土草坪的不斷發(fā)展，無土草坪所用的基質(zhì)不斷更新，已由城市、工業(yè)廢棄物逐漸轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)廢棄物[4-7]，在實(shí)際中多數(shù)采用農(nóng)業(yè)廢棄物如：水稻秸稈、玉米秸稈、牲畜糞便、家畜殘骸和羽毛等，中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源每年產(chǎn)量可達(dá)8.65億t，所以對(duì)其資源化利用的研究有著重要意義[8-9]，本文研究的基質(zhì)主要原料為玉米秸稈，以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為原料，有利于促進(jìn)秸稈“五料化”利用。

擠壓成型機(jī)主要應(yīng)用于食品和生物質(zhì)行業(yè)，按成型原理分為螺旋擠壓成型機(jī)和活塞式擠壓成型機(jī)。螺旋擠壓成型技術(shù)是目前使用最廣泛的成型技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、成品密度高，缺點(diǎn)是：擠壓螺桿作為關(guān)鍵部件易損壞，使用壽命短[10]。活塞式擠壓成型機(jī)按活塞驅(qū)動(dòng)力的不同，可將該類成型機(jī)的分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式?jīng)_壓成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式?jīng)_壓成型機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是成型密度大，對(duì)擠壓物料含水率和粒度要求低，缺點(diǎn)是活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，屬于間斷壓縮，因而生產(chǎn)效率低，且產(chǎn)品質(zhì)量不一致[11-12]。作為擠壓成型機(jī)的關(guān)鍵部件，擠出口隨著不同的應(yīng)用場(chǎng)合形狀在不斷的更新和改變，在對(duì)秸稈燃料和秸稈煤擠壓成型時(shí)采用圓形出口，目的為了使物料在成型時(shí)受力均勻[13-14]，除圓形擠出口以外，常見的板料擠壓成型機(jī)采用矩形和中空形狀擠出口[15-16]，采用這種擠出口擠壓成型使得出口處受力不均導(dǎo)致成型效果變差，在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)成型處進(jìn)行強(qiáng)度、變形等力學(xué)分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，焦冬梅等[17-18]對(duì)電線包覆機(jī)的圓形擠出口和膠料擠壓機(jī)的楔形擠出口的擠壓長(zhǎng)度、壓縮角、擠出寬度、厚度、仰角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化得到最終尺寸，其結(jié)果達(dá)到使用要求。隨著現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)不斷向著高強(qiáng)度、高精度、輕量化、小型化發(fā)展，對(duì)零部件的要求也越來越高[19-20]。本文使用的基質(zhì)是以玉米秸稈作為主要成分，添加牛糞、聚丙烯酸鈉、硫酸亞鐵等輔料研磨后并殺蟲、殺菌作為草籽毯基質(zhì)[21]，這種基質(zhì)在擠壓成型后具有一定抗破壞強(qiáng)度，吸水性能好，膨脹率低等優(yōu)點(diǎn)[22-23]。目前，將玉米秸稈和牲畜糞便發(fā)酵腐熟用作基質(zhì)原料，擠壓成綠化草坪用途的基質(zhì)草籽毯研究較少。基于此，本文對(duì)整體機(jī)器的關(guān)鍵部件之一擠出口進(jìn)行參數(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化，以改善設(shè)計(jì)初期結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)比較保守，工作過程中造成材料浪費(fèi)和制造成本增加的問題，使零部件在滿足生產(chǎn)使用條件的基礎(chǔ)上達(dá)到輕量化、精密化的效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型參數(shù)化

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

基質(zhì)草籽毯擠壓成型裝置整體設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)、傳動(dòng)裝置、臺(tái)鋸軸承座、入料口、送料裝置、擠出口和接料板，基質(zhì)草籽毯擠壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。工作原理為：先配備預(yù)混料和預(yù)混液，將收獲后自然風(fēng)干的玉米秸稈進(jìn)行粉碎，混合牛糞采用有氧發(fā)酵的方式腐熟，當(dāng)原料發(fā)黑可手握成型后作為預(yù)混料備用，按預(yù)混料質(zhì)量比1∶0.8的比例加入預(yù)混液，預(yù)混液溶劑采用自來水，其配比如表1所示，并加入一定比例殺蟲劑和殺菌劑[21]，攪拌均勻得到基質(zhì)草籽毯原料，根據(jù)混合后基質(zhì)的質(zhì)量，每20 kg基質(zhì)添加65～75 g草籽，將加入草籽后的基質(zhì)從入料口處喂入至螺旋送料裝置中，通過電機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)使得螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將基質(zhì)輸送至擠出口處進(jìn)行擠壓，成型后由接料板承接。該機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.機(jī)架 2.電機(jī) 3.防塵蓋 4.大鏈輪 5.鏈條 6.小鏈輪 7.臺(tái)鋸軸承座 8.入料口 9.圓柱外桶 10.擠出口 11.接料板

表1 預(yù)混液配比

關(guān)鍵部件擠出口斜面部分采用鈑金折彎方式加工，板料厚度為3 mm，擠出口整體采用焊接的連接方式，焊接厚度為5 mm，焊接方式為沿焊縫全周焊接，需要焊接的地方為2處，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)所需成型草籽毯的寬度150 mm和厚度10 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用SolidWorks軟件得到設(shè)計(jì)模型圖，擠出口整體由外桶連接處到出口處呈現(xiàn)逐漸收縮形式。

表2 基質(zhì)草籽毯成型機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)

1.2 擠出顆粒受力分析

由于物料擠出口成型位置的尺寸較小，隨著螺旋的不斷輸送使得物料至擠出口處時(shí)形成物料堆積，此時(shí)顆粒和物料間相互作用力較大，在擠出過程中顆粒與擠出口板的受力分析如圖2所示，根據(jù)受力分析判斷顆粒與板料間的影響?；|(zhì)顆粒在軸向合力為

基質(zhì)顆粒在徑向合力F為

注：M為基質(zhì)顆粒；Fa，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為顆粒所受軸向合力與分力，N；Fb為料板對(duì)顆粒的反作用力，N；Ff為顆粒與料板間的摩擦力，N；G為顆粒重力，N；α為板料傾斜角，(°)；β為顆粒阻力F1和摩擦力Ff的夾角，其與α大小相等，互為內(nèi)錯(cuò)角，(°)；θ為摩擦力Ff與x軸夾角，(°)；ε為軸向合力與x軸夾角，(°)；γ為軸向合力與y軸夾角，(°)。

由式（1）和（2）可知，顆粒在擠出時(shí)軸向合力F和徑向合力F主要與摩擦力F和反作用力F有關(guān)，反作用力F是料板對(duì)基質(zhì)顆粒的支撐，會(huì)受到螺旋轉(zhuǎn)速的影響，螺旋轉(zhuǎn)速減小輸送的顆粒量減少，顆粒對(duì)料板的作用力減小，進(jìn)而料板對(duì)顆粒的反作用力同樣減??；若螺旋轉(zhuǎn)速為固定值，摩擦力F對(duì)軸向合力F有很大影響，摩擦力F會(huì)較為直接的影響顆粒和板料間的受力，根據(jù)板料的傾斜程度發(fā)生變化，傾斜角與角相等，所以隨著角度越小，摩擦力越大，基質(zhì)顆粒所受的徑向合力F會(huì)減小，但若角過小會(huì)造成角增大，軸向合力F增大，影響基質(zhì)物料擠出成型速度，易造成顆粒堵塞，導(dǎo)致阻力1和板料間相互作用力2增大，反之傾斜角越大角也隨之增大，摩擦力越小，基質(zhì)顆粒所受的徑向合力F會(huì)有所增大，傾斜角過大顆粒在擠出口處空間較大，較為松散不易成型，且會(huì)增加擠出口處的磨損，減少使用壽命，所以在設(shè)計(jì)板料尺寸時(shí)需要多方考慮，最主要的是傾斜角度方面，能夠影響傾斜角的主要是縮頸處的長(zhǎng)度和寬度，在后面需要基于不同情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 擠出口優(yōu)化及模型參數(shù)選取

為了優(yōu)化基質(zhì)草籽毯成型機(jī)的性能，本文使用ANSYS-Workbench 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[24-25]。首先通過ANSYS靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)擠出口主要受力位置，然后通過改變尺寸對(duì)擠出口處的薄弱位置進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過ANSYS中Response Surface Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得新擠出口零件。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在SolidWorks中對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化，在改變零件尺寸的同時(shí)，保證零件各方面的性能滿足使用要求，經(jīng)過分析得出受力最大的位置發(fā)生在斜面處，但是，在約束位置螺栓孔的尺寸對(duì)其也有較大影響，所以選擇縮頸處長(zhǎng)度、縮頸處寬度、板料厚度和螺栓孔直徑進(jìn)行參數(shù)化定義，如圖3所示，在SolidWorks中，通過全局變量參數(shù)化方程式窗口。

圖3 尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng)位置

2 有限元分析

2.1 有限元模型

將建立好的幾何模型導(dǎo)入至ANSYS Workbench中的Static Structural靜力分析模塊中，將材料設(shè)置為Q235，材料主要參數(shù)如表3所示[26]。有限元分析過程中劃分網(wǎng)格是重要的部分，對(duì)于關(guān)鍵部件其網(wǎng)格的尺寸應(yīng)盡可能精準(zhǔn)，盡可能小一些，但是若網(wǎng)格太精細(xì)會(huì)增大分析的難度，所以在網(wǎng)格劃分的過程中使用現(xiàn)代化智能技術(shù)嚴(yán)格的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，在保證計(jì)算精度的同時(shí)保證工作效率，將單元格尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分完成后共計(jì)72 659個(gè)單元，140 030個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表3 材料主要參數(shù)

2.2 受力分析

由基質(zhì)顆粒的受力分析結(jié)果可知，擠出口的受力主要來源為擠出時(shí)的推力和摩擦力，基質(zhì)物料與擠出口所受的摩擦阻力F通過公式計(jì)算為

式中，為填充基質(zhì)深度，為填充基質(zhì)寬度，主要代表的是土壤和螺旋葉片橫截面之間的阻力系數(shù)，是一個(gè)由綜合性因素構(gòu)成的比阻系數(shù)，的取值如表 4[27]。

表4 不同類型土壤阻力系數(shù)

本文使用的基質(zhì)類型與一般土壤相似，所以取為4 N/cm2，為基質(zhì)在圓柱外桶的高度，=400 mm，寬度=200 mm，通過式（3）可得F=3.2 kN，根據(jù)受力分析結(jié)果和斜面傾斜程度將摩擦力進(jìn)行分配，其中正面包括上下兩個(gè)斜面，受到的摩擦力較大，由角分析計(jì)算為707 N，而側(cè)面包括左右兩個(gè)斜面，受到的摩擦力較小，經(jīng)過計(jì)算為502 N。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，螺旋輸送分析可知顆粒所受到擠壓力為8 kN，擠出口的約束在螺栓孔的位置，其他位置不作為本次優(yōu)化的主要部分，所以不考慮，按照受力分析和計(jì)算的結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行載荷和約束的施加。對(duì)擠出口進(jìn)行總變形和最大等效應(yīng)力求解（圖4），由計(jì)算結(jié)果得到最大變形為0.845 mm，最大等效應(yīng)力為191.25 MPa。

圖4 擠出口靜力學(xué)分析結(jié)果

3 響應(yīng)面分析優(yōu)化設(shè)計(jì)及拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 響應(yīng)面分析優(yōu)化法

通過ANSYS Workbench的Response Surface Optimization模塊可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法進(jìn)行求解，對(duì)狀態(tài)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)和約束條件進(jìn)行定義，定義完成后在運(yùn)算模塊得到最優(yōu)解[28]。根據(jù)需要成型草籽毯的尺寸對(duì)擠出口進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于參數(shù)范圍的選擇主要考慮受力和加工兩方面因素，縮頸處長(zhǎng)度和寬度所取的最大值分別為220 mm和75 mm，超過此參數(shù)后傾斜角度趨近直角，會(huì)導(dǎo)致出口受力不均，且傾斜角度過小使得焊接和折彎加工困難，設(shè)置縮頸處長(zhǎng)度為180～220 mm、縮頸處寬度60～75 mm；料板厚度的參數(shù)范圍設(shè)置主要參考靜力學(xué)分析結(jié)果，靜力學(xué)分析時(shí)的參數(shù)均為中間值，得到分析結(jié)果受到的最大總變形和等效應(yīng)力較大，考慮到其他參數(shù)的改變會(huì)使料板受力減小，且厚度減小會(huì)減輕頭部質(zhì)量，減輕圓柱外桶支撐力，又考慮到料板過厚會(huì)影響加工且造成材料的浪費(fèi)，所以對(duì)料板厚度的整體取值范圍幅度較小，料板厚度取值為2.7～3.3 mm；螺栓孔直徑的參數(shù)范圍設(shè)置主要考慮的因素是螺栓孔與料板邊緣的距離，螺栓孔直徑大于11 mm其邊緣與孔的間距僅有5 mm，考慮到四角的受力情況，螺栓孔直徑取值為9～11 mm。

根據(jù)Design-Expert軟件中Central Composite Design設(shè)計(jì)原理，對(duì)基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合響應(yīng)面分析的方法，探究草籽毯成型機(jī)擠出口尺寸的最優(yōu)參數(shù)，試驗(yàn)因素編碼如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平編碼表

將參數(shù)設(shè)置完成后，數(shù)據(jù)分析類型選擇中心復(fù)合設(shè)計(jì)（Central Composite Design），生成設(shè)計(jì)點(diǎn)為25組，集合數(shù)學(xué)模型設(shè)定約束條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6所示。利用Design-Expert13軟件進(jìn)行縮頸處長(zhǎng)度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑對(duì)最大變形和最大等效應(yīng)力影響的回歸性分析，回歸方程方差分析結(jié)果如表7所示。由回歸方程方差分析結(jié)果知，模型的值均小于0.000 1，表明自變量與因變量間相關(guān)性良好，模型可較好預(yù)測(cè)2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)，模型精度較高。

3.2 響應(yīng)面分析優(yōu)化結(jié)果

為了更加直觀的分析優(yōu)化結(jié)果，采用響應(yīng)面法分析設(shè)計(jì)因素與最大變形和最大等效應(yīng)力的較顯著的響應(yīng)面。

表7 最大變形和最大等效應(yīng)力方差分析

注：<0.05為顯著，<0.01為極顯著，≥0.05為不顯著。 Note:<0.05 means significant,<0.01 means highly significant,≥0.05 means no significant。

圖5所示為縮頸處長(zhǎng)度和縮頸處寬度對(duì)最大變形的響應(yīng)面結(jié)果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當(dāng)縮頸處寬度一定時(shí)，隨著縮頸處長(zhǎng)度增大最大變形呈現(xiàn)先增大后緩慢減小的趨勢(shì)，原因是當(dāng)縮頸處長(zhǎng)度增大時(shí)擠出口的內(nèi)部空間會(huì)逐漸增大，縮頸處長(zhǎng)度過大會(huì)使得斜面過長(zhǎng)，受力分布面積增加變形量有所減少；在縮頸處長(zhǎng)度一定時(shí)，最大變形隨著縮頸處寬度的增大呈現(xiàn)先緩慢增大后減小的趨勢(shì)，原因是縮頸處寬度的尺寸變化會(huì)影響擠出口的斜面角度，縮頸處寬度過大時(shí)傾斜角度逐漸增加，導(dǎo)致受力位置逐漸向前偏移，且所受摩擦力逐漸減小，變形量減小?？s頸處長(zhǎng)度為180～190 mm，縮頸處寬度為70～75 mm之間時(shí)，變形量最小。

圖6a所示為縮頸處長(zhǎng)度和縮頸處寬度對(duì)最大等效應(yīng)力的響應(yīng)面結(jié)果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當(dāng)縮頸處寬度一定時(shí)，隨著縮頸處長(zhǎng)度增大應(yīng)力變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，原因是當(dāng)縮頸處長(zhǎng)度增大時(shí)擠出口斜面板受力面逐漸增大，使得總應(yīng)力受力有所增加；在縮頸處長(zhǎng)度一定時(shí)，應(yīng)力變化隨著縮頸處寬度的增大呈現(xiàn)先增大在減小最后增大的趨勢(shì)，原因是縮頸處寬度的尺寸變化會(huì)影響斜面板的傾斜角度，隨著縮頸寬度的增加，斜面傾斜角度增加，作用于板料的力逐漸增加，寬度過大會(huì)造成縮頸處應(yīng)力增加?？s頸處長(zhǎng)度為180～190 mm，縮頸處寬度為60～62、66～68 mm之間時(shí)，所受應(yīng)力最小。圖 6b所示為縮頸處長(zhǎng)度和螺栓孔直徑對(duì)最大等效應(yīng)力的響應(yīng)面結(jié)果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），縮頸處寬度為62 mm（0水平）的條件下，當(dāng)縮頸處長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著螺栓孔直徑應(yīng)力變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，原因是螺栓孔為固定用孔，當(dāng)螺栓孔增大時(shí)使得約束面增大，從而使得固定更加穩(wěn)定，但螺栓孔過大時(shí)會(huì)造成固定面受力不均孔距減小使得受力增大，從而使得應(yīng)力增大。縮頸處長(zhǎng)度為180～190 mm，螺栓孔直徑為10～11 mm之間時(shí)，所受應(yīng)力最小。圖6c所示為縮頸處寬度和板料厚度對(duì)最大等效應(yīng)力的響應(yīng)面結(jié)果，分析可知在料板厚度為200 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當(dāng)縮頸處寬度一定時(shí)，隨著料板厚度增大應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，原因是當(dāng)料板厚度增加，剛度和抵抗變形的能力增強(qiáng)，使得應(yīng)力逐漸減小，但是厚度過大將導(dǎo)致整體重量的增加。縮頸處寬度為60～62 mm，料板厚度為3.1～3.3 mm之間時(shí)，所受應(yīng)力最小。

圖5 因素交互作用對(duì)最大總變形的影響

圖6 因素交互作用對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

通過Optimization界面設(shè)置仿真方法為篩選（Screening），通過系統(tǒng)分析在Candidate Point中生成3組最優(yōu)結(jié)果，如表8所示，由表可知3組結(jié)果的差異并不大，但在選擇時(shí)主要考慮實(shí)際工作過程中容易對(duì)擠出口造成影響的因素，考慮到變形的影響會(huì)造成板料的磨損，對(duì)后期的使用過程造成一定影響，且通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)3組數(shù)據(jù)中最大變形的變化較大，最大等效應(yīng)力的變化較小，所以選擇第一組最優(yōu)組合數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)分析后的最優(yōu)結(jié)果[29]。

表8 優(yōu)化結(jié)果

考慮材料實(shí)際使用規(guī)范和加工工藝，對(duì)優(yōu)化的尺寸進(jìn)行取整，料板厚度參數(shù)優(yōu)化后圓整為3.3 mm，但考慮實(shí)際情況3.3 mm板料需二次加工才能獲得，所以對(duì)料板厚度取整為3.5 mm，修改尺寸后重新進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)比如表9所示。由結(jié)果可知，優(yōu)化后的尺寸參數(shù)對(duì)最大變形和最大等效應(yīng)力有明顯的減小。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，該零件部分結(jié)構(gòu)存在較大的優(yōu)化空間，將零件模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中采用變密度法數(shù)學(xué)模型的Topology Optimization（拓?fù)鋬?yōu)化）模塊，在滿足零件實(shí)際工況要求的基礎(chǔ)上，利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化，以減輕零件整體質(zhì)量[30-31]。

將擠出口模型導(dǎo)入到Workbench中的Topology Optimization模塊，將Q235材料的屬性進(jìn)行設(shè)置，采用四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格尺寸大小控制為5 mm，以保證拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。在Shape Optimization模塊中設(shè)置和靜力學(xué)分析相同的材料屬性、載荷與約束條件，優(yōu)化目標(biāo)：允許最大變形量和最大等效應(yīng)力變化小于5%，擠出口減輕質(zhì)量比大于25%。擠出口拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖8所示。圖中設(shè)置的拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域分別是可去除部分包括法蘭板和成型平面，保留部分為基質(zhì)擠出口斜面位置，過渡部分為去除、保留部分的連接處；對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，材料大部分去除的位置為擠出口前端的成型平面處，考慮到零件裝配的可實(shí)施性、加工零件工藝性及應(yīng)力分布問題等情況，不能將所有紅色區(qū)域全部去除，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，同時(shí)保證擠出口的功能性與零件加工技術(shù)要求，去除部分形狀修整后進(jìn)行模型重建。為了更好的驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)擠出口有限元對(duì)比分析。

表9 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化分析云圖

通過對(duì)比分析拓?fù)鋬?yōu)化前后的數(shù)據(jù)可知，與優(yōu)化前相比，擠出口的最大變形量增加了0.011 mm，占優(yōu)化前最大變形的2.01%；最大等效應(yīng)力增加了2.5 MPa，占優(yōu)化前最大等效應(yīng)力的1.49%；質(zhì)量降低了1.913 kg，占優(yōu)化前質(zhì)量（6.694 kg）的36.60% 。所得結(jié)果均滿足允許最大變形量和最大等效應(yīng)力變化小于5%，擠出口減輕質(zhì)量比大于 25%的優(yōu)化目標(biāo)。

4 EDEM仿真分析

為了對(duì)ANSYS尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證在優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸和去除材料后擠出口零件模型是否能夠滿足基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠壓工作要求，采用EDEM軟件進(jìn)行基質(zhì)草籽毯擠壓成型仿真驗(yàn)證試驗(yàn)[32]，以成型后的顆粒所受擠壓力和顆粒孔隙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，檢驗(yàn)優(yōu)化后基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口零件及整體機(jī)器的合理性，判斷成型后草籽毯是否能夠達(dá)到使用要求。

4.1 擠壓裝置及基質(zhì)顆粒模型仿真模型構(gòu)建

4.1.1 建立模型及仿真分析

經(jīng)過基質(zhì)物料的實(shí)際測(cè)量和參考文獻(xiàn)對(duì)基質(zhì)參數(shù)的標(biāo)定[33]，選用半徑為2 mm，接觸半徑為2.5 mm的雙球形顆粒來構(gòu)建基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)土顆粒，并設(shè)置接觸半徑為3 mm，仿真參數(shù)的設(shè)定以基質(zhì)混合后的實(shí)際參數(shù)為依據(jù)，具體如下：基質(zhì)物料泊松比0.43，剪切模量1.08×108Pa，密度1 620 kg/m3；擠壓裝置中零件所用的主要材料為鋼，鋼泊松比0.28，剪切模量2.06×1011Pa，密度7 850 kg/m3，基質(zhì)物料仿真顆粒采用HertzMindlin with JKR接觸模型。為保證仿真的準(zhǔn)確進(jìn)行，還需設(shè)置基質(zhì)顆粒和鋼之間的接觸參數(shù)[34]，確定仿真模型接觸參數(shù)如表10所示。

表10 仿真模型接觸參數(shù)

利用SolidWorks軟件對(duì)擠壓裝置進(jìn)行三維建模，為提高仿真計(jì)算效率對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將不影響作業(yè)效果的零件去除，導(dǎo)入EDEM軟件中，建立基質(zhì)物料顆粒模型，仿真時(shí)間設(shè)置為30 s，根據(jù)文獻(xiàn)得到基質(zhì)草籽毯成型機(jī)螺旋轉(zhuǎn)速為250 r/min[11]，其中0～10 s時(shí)間進(jìn)行物料填充，10 ～20 s時(shí)間對(duì)物料進(jìn)行擠壓成型，仿真過程如圖9所示，圖9a為時(shí)間12 s時(shí)部分顆粒的線性流動(dòng)過程，可以發(fā)現(xiàn)顆粒在擠出口處形成聚集，圖9b為工作30 s時(shí)顆粒成型情況，此時(shí)顆粒已經(jīng)擠壓完成。通過仿真分析過程和結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由優(yōu)化后參數(shù)建立的模型得到成型草籽毯，為驗(yàn)證草籽毯成型質(zhì)量的優(yōu)劣需對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)一步分析。

4.1.2 試驗(yàn)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)顆粒成型效果，使用EDEM軟件后處理Setup Selections中Bulk Density Sensor功能，對(duì)擠出口處成型草籽毯進(jìn)行密度監(jiān)測(cè)，對(duì)擠出口處的顆粒密度進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到擠出成型顆粒密度的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果的根據(jù)參考綠化基質(zhì)磚的密度1 400 kg/m3進(jìn)行對(duì)比[35]。

為評(píng)價(jià)擠出顆粒質(zhì)量，通過EDEM軟件后處理Setup Selections中Grid Bin Group功能，對(duì)擠出口處進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格記錄所有流經(jīng)擠出口的顆粒質(zhì)量變化，對(duì)流經(jīng)擠出口處的顆粒質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到擠出顆粒質(zhì)量的結(jié)果。

圖9 EDEM顆粒仿真過程

4.2 結(jié)果與分析

采用EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，進(jìn)行5組試驗(yàn)得到試驗(yàn)結(jié)果如表11所示，通過試驗(yàn)得到成型基質(zhì)草籽毯的密度和擠出顆粒質(zhì)量平均值1 383.2 kg/m3和2 709g，根據(jù)結(jié)果可知成型后密度不僅滿足使用要求而且具有一定的密度，適合種子生長(zhǎng)，且通過優(yōu)化后的擠出口擠出的質(zhì)量同樣滿足使用要求，不影響生產(chǎn)效率并實(shí)現(xiàn)了輕量化。

表11 仿真試驗(yàn)結(jié)果

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行樣機(jī)制作，圖10為試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)于2022年10月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)綜合實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行，玉米秸稈收獲后自然風(fēng)干，用粉碎機(jī)粉碎，獲得秸稈絲條，其長(zhǎng)度為5～20 mm，混合牛糞后進(jìn)行腐熟處理，室外平均氣溫24 ℃，遮蓋聚黑色PE塑料布保濕，用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度，達(dá)到60 ℃以上時(shí)翻垛，20 d后待物料發(fā)黑可手握成型時(shí)作為預(yù)混料備用[30]。參考表1配備預(yù)混液，其中聚酰胺環(huán)氧氯丙烷是造紙用濕強(qiáng)劑，聚丙烯酸鈉是面粉添加劑，能夠提高基質(zhì)磚濕潤(rùn)狀態(tài)的粘結(jié)強(qiáng)度，保證吸水不變形不松散，其他為微量元素，都為環(huán)境友好型添加劑，對(duì)生態(tài)環(huán)境無影響。設(shè)定基質(zhì)草籽毯成型機(jī)的螺旋轉(zhuǎn)速為250 r/min，與仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定相匹配。

1.擠出口 2.圓柱外桶 3.機(jī)架 4.入料口 5.臺(tái)鋸軸承座 6.電機(jī) 7.防塵蓋

由基質(zhì)草籽毯擠壓裝置得到成型草籽毯，如圖11a所示，將其置于室外初期每天澆水一次，7 d后種子發(fā)芽，澆水間隔時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。當(dāng)草籽毯表面變干發(fā)白時(shí)澆水，受氣溫、雨水等因素影響，約3～7 d不定期澆水一次，在45 d中基質(zhì)草籽毯長(zhǎng)勢(shì)變化如圖11b所示。

圖11 基質(zhì)草籽毯成型及培育過程

仿真過程中為縮短仿真時(shí)間提高效率，在仿真時(shí)設(shè)置顆粒體積大于實(shí)際尺寸2.5倍，經(jīng)密度公式計(jì)算得出實(shí)測(cè)質(zhì)量值應(yīng)該小于仿真值2.5倍，以仿真結(jié)果最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)值，由此得出測(cè)量結(jié)果。與仿真試驗(yàn)相同的時(shí)間30 s內(nèi)，成型后密度為1 483.4 kg/m3，擠出基質(zhì)質(zhì)量的平均值為2 634.8 g，與優(yōu)化結(jié)果的誤差分別為6.7%和2.7%，結(jié)果數(shù)據(jù)表明，經(jīng)仿真得到的參數(shù)組合和優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際相差無幾，仿真結(jié)果可靠性高。

通過試驗(yàn)可知，優(yōu)化結(jié)果和仿真結(jié)果真實(shí)可靠，能夠滿足基質(zhì)草籽毯使用要求?；|(zhì)草籽毯驗(yàn)證試驗(yàn)完成后，對(duì)基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口優(yōu)化前后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，同樣以成型顆粒密度和擠出顆粒質(zhì)量作為試驗(yàn)指標(biāo)，在其他因素不變的情況下重復(fù)5次試驗(yàn)取平均值，得到優(yōu)化前后的對(duì)比結(jié)果，優(yōu)化后的成型顆粒密度和擠出顆粒質(zhì)量與優(yōu)化前相比都有明顯提升，分別提升了5.84%和2.88%，說明優(yōu)化后的擠出口不僅能夠在一定程度上提高成型機(jī)工作效率，而且隨著基質(zhì)草籽毯顆粒間密度的增加，還能夠提高草毯成型的質(zhì)量，說明優(yōu)化后的擠出口在實(shí)際工作中具有一定的提升作用。

對(duì)基質(zhì)草籽毯進(jìn)行烘干操作，目的是查看烘干后的草籽毯是否會(huì)發(fā)生局部破損、斷裂等現(xiàn)象，其作用體現(xiàn)在后期搬運(yùn)和運(yùn)輸中，若草籽毯整體不碎、不斷或只在邊緣處發(fā)生破損，說明成型后的草籽毯具有一定的抗破壞強(qiáng)度，且在以后運(yùn)輸和鋪設(shè)時(shí)更加方便。烘干采用型號(hào)為101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，烘干溫度為55 ℃，烘干時(shí)間為8 h，得到烘干后草籽毯。

由烘干試驗(yàn)結(jié)果可知，干燥后的草籽毯可直接搬運(yùn)，且整體并無大面積損壞和變形，分析可知基質(zhì)草籽毯的物料中主要含有秸稈和牛糞，秸稈纖維具有一定粘結(jié)性，牛糞中腸道分泌物、腸道粘膜脫落物和纖維結(jié)構(gòu)也具有良好的粘結(jié)性和纏繞性，二者均勻混合后，具有一定的強(qiáng)度，為運(yùn)輸和鋪設(shè)提供了保障。

6 結(jié) 論

1）對(duì)基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口的尺寸參數(shù)進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)，確定了影響最大變形和最大等效應(yīng)力的主要因素有縮頸處長(zhǎng)度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑。采用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到擠出口在極限載荷下的最大變形和最大等效應(yīng)力圖，采用響應(yīng)面分析方法對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在得到的25組數(shù)據(jù)中，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：縮頸處長(zhǎng)度180 mm、縮頸處寬度60 mm、料板厚度3.5 mm、螺栓孔直徑11 mm，在該參數(shù)下最大變形為0.54 mm，最大等效應(yīng)力為164.85 MPa。利用Shape Optimization模塊對(duì)擠出口進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，在不影響零件工況要求情況下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，零件總重減輕了36.60%。

2）為驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果的可靠性，采用EDEM離散元軟件對(duì)基質(zhì)草籽毯成型機(jī)的成型顆粒密度和擠出顆粒質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，確保優(yōu)化后關(guān)鍵部件擠出口的可靠性，由試驗(yàn)得到結(jié)果成型顆粒密度為1 383.2 kg/m3，擠出顆粒質(zhì)量為2 709 g，可以達(dá)到使用要求。為保證仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，試制試驗(yàn)樣機(jī)，通過驗(yàn)證試驗(yàn)得到成型后基質(zhì)草籽毯的實(shí)測(cè)值與仿真試驗(yàn)結(jié)果誤差分別為6.7%和2.7%，且進(jìn)行了發(fā)芽特性試驗(yàn)和烘干試驗(yàn)，得到結(jié)果基質(zhì)草籽毯發(fā)芽效果和長(zhǎng)勢(shì)效果良好，烘干后可以進(jìn)行碼垛和搬運(yùn)，成型效果良好，滿足基質(zhì)草籽毯成型機(jī)生產(chǎn)使用要求。

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Optimization and experiment of the extrusion outlet of molding machine for substrate grass seed blanket using ANSYS

LIU Dejun, LIU Tianqi, LI Yuge, LIU Zihui, SUN Jiayi, CHAO Junqi, DONG Yilong, LIU Xinzhen

(,,110866,)

A molding machine of substrate grass seed blanket can take agricultural waste straw and livestock manure as the raw material, in order to fabricate the grass seed blanket after hand-holding and molding, particularly for the green lawn. Among them, aerobic fermentation can be also adopted to add the premixing liquid for complete decomposition. The continuous uninterrupted molding can be realized after drying below 60℃, transportation, and laying. The substrate grass seed blanket can be laid directly or half-buried in the ground for the urban, park, and residential greening. However, the existing molding machine cannot fully meet the large-scale production in the design of the initial size parameters. The weight of the larger support burden can tend to cause the uneven force of substrate at the extrusion outlet during extrusion molding. This study aims to reduce the component force deformation for better molding stability. Structural optimization was implemented with the extrusion outlet at the neck length, neck width, material plate thickness, and bolt hole diameter as the object using ANSYS Workbench 19.2. The maximum deformation was 0.85 mm, and the maximum equivalent force was 191.25 MPa, using parametric modeling. The response surface method (RSM) with multi-objective optimization was used to optimize the design of the squeeze outlet model. The maximum deformation was 0.54 mm, and the maximum equivalent force was 164.85 MPa. The topological optimization of the extrusion port was carried out to remove the unnecessary material dimensions without affecting the static analysis. The total weight of the part was reduced by 36.60%. EDEM software was used to verify the optimized extruded parts as a whole machine. The grass seed blanket molding was analyzed by the discrete element method with a simulation time of 30 s. Furthermore, the data extraction of the test indicators was performed by the post-processing module. The simulation was performed with the molding particle density and extruded particle quality as the indicators, which were 1 383.2 kg·m-3and 2 685 g, respectively. The test prototype was made to conduct the germination and drying validation tests. The measured density and mass of the formed substrate grass seed blanket were obtained with an error of 6.7% and 2.7%, respectively, compared with the simulation. The validation test was compared with the test before optimization. The density of the formed particles and the mass of the extruded particles were significantly improved by 5.84% and 2.88%, respectively, before optimization. Consequently, the optimized extrusion outlet can be expected to improve the working efficiency of the forming machine. The formed grass blanket was enhanced with the increase of density between the particles of the substrate grass seed blanket. The quality of the blanket can also fully meet the requirements of the production use in the forming machine of substrate grass seed blanket.

straw; substrate; agricultural organic waste; extrusion molding device; extrusion outlet; optimized design

2022-12-01

2023-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32171900）

劉德軍，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)作物秸稈高值化利用技術(shù)與智能裝備。Email：ldjldj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202212001

S233.74

A

1002-6819(2023)-08-0076-10

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，等. 基于ANSYS的基質(zhì)草籽毯成型機(jī)擠出口優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(8)：76-85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212001 http://www.tcsae.org

LIU Dejun, LIU Tianqi, LI Yuge, et al. Optimization and experiment of the extrusion outlet of molding machine for substrate grass seed blanket using ANSYS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(8): 76-85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2023.202212001 http://www.tcsae.org