基于Solid Works的立式圓盤脫溶干燥機加熱盤下板沖孔布局仿真分析

李金梅，李亭亭，翟雪靜，王志丹

（山東凱斯達機械制造有限公司，山東 濟寧 272000）

大豆是全世界最主要的油料作物之一，含有35%～40%的蛋白質，是人類和動物最主要的蛋白質來源。豆粕是大豆提取豆油后的主要副產品，蛋白質就保留在其中，經低溫脫溶后的豆粕通過乙醇萃取工藝，可得到蛋白質含量為70%濃縮大豆蛋白粉，該醇法制備工藝中脫溶烘干工序尤為重要，立式圓盤脫溶干燥機為該工序關鍵設備，具有干燥面積大、料層薄、烘干快速及蛋白熱變形小的特點[1]。

立式圓盤脫溶干燥機內部的多層空心加熱盤是其主要部件，整臺設備從上至下依次交錯布置多層大、小加熱盤，大、小圓盤按照一定間隔距離交替排列，其內部通入飽和水蒸汽，將含有溶劑的濕豆粕在耙料裝置的作用下從上至下依次內外交替的落入各層圓盤上，使濕粕在多層加熱盤上不斷吸熱升溫，從而使濕豆粕達到干燥脫溶目的。

濕粕干燥過程中受溫度影響很大，溫度過高，蛋白變性，溫度過低，抗性成分不能除去，因此豆粕干燥時要求表面受熱均勻，才能保證其質量的穩定性。因此要求各層圓盤加熱表面平面度誤差小于3mm，加熱圓盤由上板和經過沖壓成型的下板焊接而成，上板平面度受下板沖孔布局焊點的影響，因此有必要對圓盤下板沖孔布局進行進一步分析研究。本文利用Solid Works軟件的有限元分析模塊，對某加熱盤下板沖孔布局進行靜力學分析，研究其在不同沖孔布局下的應力及位移變形量，分析何種布局更加合理，驗證實際沖孔布局的合理性，下面以其中小加熱盤為例進行分析。

1 立式圓盤脫溶干燥機小加熱盤結構

立式圓盤脫溶干燥機小加熱盤結構如圖1所示，干燥機的加熱盤采用空心焊接結構，承載物料的上板（件1）布置在下板（件2）的上方，是豆粕加熱烘干的工作面，其底部下板（件2）經內、外圓翻邊和中間部位沖孔成型，通過翻邊邊緣和沖孔中心處與上板（1）均勻焊接，形成中空密閉的加熱盤腔體，沿腔體四周對稱布置一對進汽口（4）和出汽口（5），為加熱盤空腔內飽和水蒸汽的進、出通道，圍板（3）與上板（1）內圓焊接，主要是起到擋料的作用，同時對上板有支撐加強的作用。

圖1 立式圓盤脫溶干燥機小加熱盤結構

2 參數化分析

SolidWorks軟件的有限元分析同ANSYS軟件的有限元分析基本一致，其過程包括：三維建模、網格劃分和計算分析[2-4]。

2.1 模型的建立

SolidWorks軟件的有限元分析模塊，只限于整體工件的分析，而對裝配體卻無法實現，由于加熱盤內部壓力同時作用于上板和下板，這里根據作用力和反作用力的原理，僅對加熱盤下板進行受力分析，加熱盤下板建立三種不同布局的三維模型如圖2所示，加熱盤下板的具體參數如表1。

表1 材料屬性

圖2 圓周、正方形、正三角形布局對應3D模型

2.2 約束和力的施加

由于下板和上板采用內、外圓周和沖孔處焊接固定，因此在加熱盤下板內圈底面、外圈底面和沖孔中心圓面處施加夾具固定點，如圖3所示。

圖3 圓周、正方形、正三角形布局對應約束圖

加熱盤內壓強各項均勻分布，因此對加熱盤下板進行同等壓強分析，因沖孔后對應接觸面積和不沖孔對應平面面積相差無幾，故計算有效截面積時不再考慮沖孔。

式中：F為下板承受的壓力，N；Q為加熱盤內工作壓強，Pa；S 為下板的有效截面積，m2；l為下板正圓錐臺母線長度，m；R為下板翻邊大圓半徑，m；r為下板翻邊小圓直徑，m。

通過上面公式可以計算工作時施加在下板接觸面上的壓力：

F=0.85×106×[π×17×（1 084+1 075）+π×1 0752]/106=3 183 250 N，力的方向垂直于下板有效接觸面，如圖4所示。

圖4 圓周、正方形、正三角形布局對應壓力施加效果圖

2.3 網格劃分

結合加熱盤下板結構特點，選取較高節點品質的中面殼網格，對三種有限元模型進行網格化分，生成單元，單元格大小，公差和建立節點數，如圖5所示，對應數據如表2。

表2 圓周、正方形、正三角形布局下的網格劃分

圖5 圓周、正方形正三角形布局對應網格圖

2.4 計算分析

通過分析計算，加熱盤下板在承壓狀態下的應變分布圖如圖6所示，整個下板都有不同程度地變形，中間沖孔位置變性較小，沖孔受限的內、外圈邊緣處變形曲率比較大，應變量三種布局見表3。

圖6 圓周、正方形、正三角形布局對應應變趨勢圖

加熱盤下板應力分布圖，如圖7所示，加熱盤下板不同布局應力變化不同，下板的內、外圈固定點處應力最小，沖孔間隙處的應力最大，三種布局應力最大及最小數值見表3。

表3 加熱盤在三種布局下的最大及最小應力和應變量

圖7 圓周、正方形、正三角形布局應力分布圖

3 結論

通過Solid Works Simulation軟件對三種沖孔布局的加熱盤下板進行有限元分析，根據分析計算結果，對比加熱盤下板在三種沖孔布局下的最大和最小應力及最大位移量，可以看出加熱盤下板沖孔采用正三角形布局最為合理，其最大等效應力為14.75 MPa，遠小于材料的屈服強度206.8 MPa，該數據結論驗證了實際沖壓采用的正三角形沖孔的合理性。