鮮巨菌草顆粒制備裝備關(guān)鍵部件仿真研究

繆樹峰 ，陳 晨 ，葉大鵬

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350000）

為解決鮮巨菌草顆粒飼料制備問題，通過分析相關(guān)文獻(xiàn)得出[1-8]：鮮巨菌草顆粒飼料制備設(shè)備的模孔孔型對鮮巨菌草顆粒飼料成型生產(chǎn)的影響很大，而?？卓讖?、模孔深度、模孔角度則是決定?？卓仔偷娜齻€(gè)重要因素。因此，本研究利用ABAQUS軟件，對鮮巨菌草顆粒制備過程進(jìn)行仿真，對?？卓讖健⒛？咨疃?、模孔角度三個(gè)因素進(jìn)行研究[9-15]。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 模型參數(shù)設(shè)定

本次試驗(yàn)選取巨菌草含水率20%、顆粒粒度在0~10 mm內(nèi)的鮮巨菌草顆粒飼料原料為試驗(yàn)樣本，進(jìn)行剪切試驗(yàn)獲取材料內(nèi)聚力和摩擦角等參數(shù)。但由于原料的彈性模量、泊松比等參數(shù)在測試上存在一定難度，所以在其數(shù)值選取上采用相似特性的材料的相應(yīng)參數(shù)即可[16-20]，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》和其他相似材料的研究文獻(xiàn)[21-23]，具體建模參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 Drucker-Prager Cap模型參數(shù)

1.2 鮮巨菌草顆粒飼料壓制過程的有限元模擬

1）模型建立。為減少計(jì)算量，省去鮮巨菌草顆粒飼料壓輥與模輥的冗余設(shè)計(jì)，將幾何模型簡化并導(dǎo)入ABAQUS軟件，如圖1所示。

圖1 模型導(dǎo)入

2）創(chuàng)建材料屬性。Drucker-Prager Cap模型參照表1進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

3）創(chuàng)建裝配體。切換到裝配模塊，點(diǎn)擊創(chuàng)建裝配體，選中壓輥、模輥和原料模型3個(gè)部件，點(diǎn)擊確定。

4）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型的設(shè)置上選擇CPE4R。

5）設(shè)置分析步。設(shè)置壓輥的運(yùn)動(dòng)方式為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)幅度比為2∶1。

6）定義接觸。將模具建立成剛體，物料模型和壓輥、模輥之間的摩擦設(shè)置為庫侖摩擦，并將其切向的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。

7）定義邊界條件。在載荷模塊，創(chuàng)建模具的約束與轉(zhuǎn)角。

8）計(jì)算并調(diào)取結(jié)果。在完成上述設(shè)置后提交作業(yè)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后通過調(diào)取應(yīng)變云圖和能量損耗進(jìn)行指標(biāo)讀取，圖2為“錐口角度45°+錐口深度5 mm+模孔直徑6 mm”工藝組合情況下的分析結(jié)果，由圖2可知，該加工條件下，原料模型的最大等效塑性變形為77.84，該系統(tǒng)的能量損耗為3.183 J。

圖2 提取的計(jì)算結(jié)果

本次鮮巨菌草顆粒飼料制備設(shè)備關(guān)鍵部件模具的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)工藝組合研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用三因素三水平Box-Behnken Design的方法，研究指標(biāo)為ABAQUS軟件對鮮巨菌草顆粒飼料加工過程仿真模擬所得的原料模型最大塑性變形和系統(tǒng)在此過程中的能耗量，并以-1、0、1分別表示本次試驗(yàn)因素的水平，所得編碼表如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平編碼表

本次鮮巨菌草顆粒飼料制備設(shè)備關(guān)鍵部件模具的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)工藝試驗(yàn)組合與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)組合與結(jié)果

2 結(jié)果討論

2.1 能耗回歸方程

鮮巨菌草顆粒飼料制備仿真模擬過程能耗回歸方程如式（1）所示，其方差分析結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，回歸方程模型的P值小于0.000 1，說明該模型的回歸方程極顯著，且該模型的修正值R2為0.98，其值大于0.8表明數(shù)據(jù)分析得到的方程與試驗(yàn)匹配度良好，表示該模型可用于對鮮巨菌草顆粒飼料制備過程能耗進(jìn)行預(yù)測。

表4 能耗方差分析表

2.2 塑性變形量回歸方程

鮮巨菌草顆粒飼料制備仿真模擬過程原料模型塑性變形量回歸方程如式（2）所示，其方差分析結(jié)果如表5所示，該結(jié)果表示該模型可用于對鮮巨菌草顆粒飼料制備過程能耗進(jìn)行預(yù)測。

表5 塑性變形方差分析表

2.3 各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響主次

鮮巨菌草顆粒飼料制備仿真模擬過程各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)情況如表6所示，根據(jù)各因素方差分析中的F值數(shù)值大小，即可判斷試驗(yàn)因素錐口角度X1、錐口深度X2和模孔直徑X3對試驗(yàn)指標(biāo)能耗Y1和塑性變形量Y2貢獻(xiàn)率。各因素對能耗Y1和塑性變形量Y2的貢獻(xiàn)率排序均為：錐口角度X1﹥錐口深度X2﹥模孔直徑X3。

表6 各因素對指標(biāo)貢獻(xiàn)分析

3 結(jié)語

根據(jù)Box-Behnken Design試驗(yàn)結(jié)果分析可得，在以顆粒制備過程物料最大變形和能耗為指標(biāo)的試驗(yàn)中，錐口角度X1、錐口深度X2和模孔直徑X3貢獻(xiàn)排序?yàn)閄1﹥X2﹥X3，最優(yōu)工藝組合為錐口角度45°、錐口深度5 mm、?？字睆? mm，可為鮮巨菌草顆粒制備裝備關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供借鑒。