鮮巨菌草顆粒制備裝備關鍵部件仿真研究

繆樹峰 ，陳 晨 ，葉大鵬

（福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350000）

為解決鮮巨菌草顆粒飼料制備問題，通過分析相關文獻得出[1-8]：鮮巨菌草顆粒飼料制備設備的模孔孔型對鮮巨菌草顆粒飼料成型生產的影響很大，而模孔孔徑、模孔深度、模孔角度則是決定模孔孔型的三個重要因素。因此，本研究利用ABAQUS軟件，對鮮巨菌草顆粒制備過程進行仿真，對模孔孔徑、模孔深度、模孔角度三個因素進行研究[9-15]。

1 試驗與方法

1.1 模型參數設定

本次試驗選取巨菌草含水率20%、顆粒粒度在0~10 mm內的鮮巨菌草顆粒飼料原料為試驗樣本，進行剪切試驗獲取材料內聚力和摩擦角等參數。但由于原料的彈性模量、泊松比等參數在測試上存在一定難度，所以在其數值選取上采用相似特性的材料的相應參數即可[16-20]，參考《農業機械設計手冊》和其他相似材料的研究文獻[21-23]，具體建模參數設置如表1所示。

表1 Drucker-Prager Cap模型參數

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。為減少計算量，省去鮮巨菌草顆粒飼料壓輥與模輥的冗余設計，將幾何模型簡化并導入ABAQUS軟件，如圖1所示。

圖1 模型導入

2）創建材料屬性。Drucker-Prager Cap模型參照表1進行相關參數設置。

3）創建裝配體。切換到裝配模塊，點擊創建裝配體，選中壓輥、模輥和原料模型3個部件，點擊確定。

4）網格劃分。網格類型的設置上選擇CPE4R。

5）設置分析步。設置壓輥的運動方式為順時針轉動，運動幅度比為2∶1。

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

7）定義邊界條件。在載荷模塊，創建模具的約束與轉角。

8）計算并調取結果。在完成上述設置后提交作業進行計算，計算完成后通過調取應變云圖和能量損耗進行指標讀取，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，該系統的能量損耗為3.183 J。

圖2 提取的計算結果

本次鮮巨菌草顆粒飼料制備設備關鍵部件模具的關鍵設計參數的最優工藝組合研究試驗設計，采用三因素三水平Box-Behnken Design的方法，研究指標為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在此過程中的能耗量，并以-1、0、1分別表示本次試驗因素的水平，所得編碼表如表2所示。

表2 試驗因素水平編碼表

本次鮮巨菌草顆粒飼料制備設備關鍵部件模具的關鍵設計參數的最優工藝試驗組合與結果如表3所示。

表3 試驗組合與結果

2 結果討論

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表明數據分析得到的方程與試驗匹配度良好，表示該模型可用于對鮮巨菌草顆粒飼料制備過程能耗進行預測。

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，其方差分析結果如表5所示，該結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行預測。

表5 塑性變形方差分析表

2.3 各試驗因素對試驗指標影響主次

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

表6 各因素對指標貢獻分析

3 結語

根據Box-Behnken Design試驗結果分析可得，在以顆粒制備過程物料最大變形和能耗為指標的試驗中，錐口角度X1、錐口深度X2和模孔直徑X3貢獻排序為X1﹥X2﹥X3，最優工藝組合為錐口角度45°、錐口深度5 mm、模孔直徑6 mm，可為鮮巨菌草顆粒制備裝備關鍵部件的設計提供借鑒。