家用烹飪設備攪拌頭性能分析

林國漢 王小龍 李亞明

摘要：目前的烹飪勞動大多數由人工完成，耗時耗力。隨著機器人技術的發展，人們生活水平的提高，自動烹飪技術的應用越來越迫切。其中攪拌頭的設計關乎烹飪的烹飪效果，既要菜肴分散均勻受熱，又不能造成物料飛濺。以某家用烹飪設備的攪拌頭設計為例，基于多體動力學軟件，分析對比不同攪拌頭的性能，為家用烹飪設備的進一步研究提供依據。

關鍵詞：家用烹飪設備;攪拌頭;多體動力學;性能分析

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.056

現代社會生活節奏快，工作壓力大，這種節奏使得人們沒有時間去準備中餐、晚餐，因此人們越來越迫切期待智能廚房自動烹飪系統的出現[1]。根據中式菜肴烹飪的特點，攪拌頭的設計關乎菜肴的品質[2]。在研發前期，必須評估攪拌頭的性能。本文基于多體動力學軟件，通過顆粒流來模擬菜肴，仿真攪拌頭的攪拌效果，從粒子的運動軌跡來分析攪拌頭的性能。

1 顆粒流的離散元法模擬

顆粒流指的是顆粒物質在外力作用和內部應力狀況變化時發生的類似于流體的運動狀態[3]。隨著計算機技術的發展，數值模擬方法在顆粒流的研究和應用方面發揮了巨大的作用[4]。常用的數值模擬方法為連續介質模型和非連續介質模型。非連續介質模型中，最常用的是離散元法。

離散元法中顆粒的運動學計算原理大同小異。以Thomton的GRANULE離散元程序為例，在時間步△t，球顆粒的線運動和轉動由以下方程求得：

由各球的新位置坐標可決定相鄰顆粒是否接觸或原接觸點是否脫離[5]。相互接觸的球會產生假性重疊α，再由接觸模型公式分別求出接觸力Fi和Mi返歸式（l）迭代。

2 攪拌頭多體模型

利用三維建模軟件創建攪拌頭的三維裝配模型，如圖1所示。檢查攪拌頭和鍋的裝配關系，確認模型正確后保存模型[6]。將模型導人多體動力學軟件中，設置顆粒模擬菜肴，如圖2所示。

提交求解后，得到攪拌頭和顆粒流的運動動畫。圖3、圖4為攪拌頭某一時刻的狀態。選取幾個顆粒并提取其運動軌跡，如圖5、圖6所示。

由仿真出來的結果看出，設計出來的攪拌頭無法將顆粒很好分開，這樣會導致受熱不均勻，調料和菜無法很好混合，影響菜肴的口感。

3 攪拌頭方案設計

針對上述攪拌頭出現的缺陷，重新設計攪拌頭方案。現設計了如圖7-圖10所示的4種攪拌頭方案，并進行仿真計算。

提交求解后得到運動軌跡如圖II -圖14所示。由仿真結果分析攪拌頭性能，圖11方案1中攪拌頭數量太少，攪拌不充分。圖12方案2中顆粒無法翻滾，容易聚結成塊。圖13方案3中鍋外圍的顆粒無法走到鍋中心。圖14方案4中顆粒攪拌充分。

4 結論

本文結合多體動力學軟件對某家用烹飪設備攪拌頭進行了性能分析，通過方案對比，最后確定了攪拌頭方案。將仿真分析與攪拌頭設計相結合，對于處理實際問題有著十分重要的意義，是一種值得推廣的設計方法。

和傳統設計方法相比，該方法有以下特點：①產品研發周期短。減小缺陷產品出現的概率，指導產品設計方向。②更好地改善攪拌頭性能。通過仿真分析，可以對更多的方案進行驗證，從而找出最優的方案。③更低的成本。減少樣品打樣，只需對一兩種優化方案進行實驗驗證，減少成本。

針對攪拌頭的設計，既要將整個攪拌物覆蓋，又不能讓攪拌物結成一塊，受熱不均勻。本文中案例1的缺點在于沒有將整個攪拌物覆蓋，案例2和3中有了足夠的攪拌頭，但是物塊容易結成一塊，案例4中各攪拌頭之間留有足夠的空隙，攪拌物可以有更多的活動空間，受熱會更均勻。

參考文獻：

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