鲜巨菌草颗粒制备装备关键部件仿真研究

缪树峰 ，陈 晨 ，叶大鹏

（福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350000）

为解决鲜巨菌草颗粒饲料制备问题，通过分析相关文献得出[1-8]：鲜巨菌草颗粒饲料制备设备的模孔孔型对鲜巨菌草颗粒饲料成型生产的影响很大，而模孔孔径、模孔深度、模孔角度则是决定模孔孔型的三个重要因素。因此，本研究利用ABAQUS软件，对鲜巨菌草颗粒制备过程进行仿真，对模孔孔径、模孔深度、模孔角度三个因素进行研究[9-15]。

1 试验与方法

1.1 模型参数设定

本次试验选取巨菌草含水率20%、颗粒粒度在0~10 mm内的鲜巨菌草颗粒饲料原料为试验样本，进行剪切试验获取材料内聚力和摩擦角等参数。但由于原料的弹性模量、泊松比等参数在测试上存在一定难度，所以在其数值选取上采用相似特性的材料的相应参数即可[16-20]，参考《农业机械设计手册》和其他相似材料的研究文献[21-23]，具体建模参数设置如表1所示。

表1 Drucker-Prager Cap模型参数

1.2 鲜巨菌草颗粒饲料压制过程的有限元模拟

1）模型建立。为减少计算量，省去鲜巨菌草颗粒饲料压辊与模辊的冗余设计，将几何模型简化并导入ABAQUS软件，如图1所示。

图1 模型导入

2）创建材料属性。Drucker-Prager Cap模型参照表1进行相关参数设置。

3）创建装配体。切换到装配模块，点击创建装配体，选中压辊、模辊和原料模型3个部件，点击确定。

4）网格划分。网格类型的设置上选择CPE4R。

5）设置分析步。设置压辊的运动方式为顺时针转动，运动幅度比为2∶1。

6）定义接触。将模具建立成刚体，物料模型和压辊、模辊之间的摩擦设置为库仑摩擦，并将其切向的摩擦系数设置为0.3。

7）定义边界条件。在载荷模块，创建模具的约束与转角。

8）计算并调取结果。在完成上述设置后提交作业进行计算，计算完成后通过调取应变云图和能量损耗进行指标读取，图2为“锥口角度45°+锥口深度5 mm+模孔直径6 mm”工艺组合情况下的分析结果，由图2可知，该加工条件下，原料模型的最大等效塑性变形为77.84，该系统的能量损耗为3.183 J。

图2 提取的计算结果

本次鲜巨菌草颗粒饲料制备设备关键部件模具的关键设计参数的最优工艺组合研究试验设计，采用三因素三水平Box-Behnken Design的方法，研究指标为ABAQUS软件对鲜巨菌草颗粒饲料加工过程仿真模拟所得的原料模型最大塑性变形和系统在此过程中的能耗量，并以-1、0、1分别表示本次试验因素的水平，所得编码表如表2所示。

表2 试验因素水平编码表

本次鲜巨菌草颗粒饲料制备设备关键部件模具的关键设计参数的最优工艺试验组合与结果如表3所示。

表3 试验组合与结果

2 结果讨论

2.1 能耗回归方程

鲜巨菌草颗粒饲料制备仿真模拟过程能耗回归方程如式（1）所示，其方差分析结果如表4所示。由表4可以看出，回归方程模型的P值小于0.000 1，说明该模型的回归方程极显著，且该模型的修正值R2为0.98，其值大于0.8表明数据分析得到的方程与试验匹配度良好，表示该模型可用于对鲜巨菌草颗粒饲料制备过程能耗进行预测。

表4 能耗方差分析表

2.2 塑性变形量回归方程

鲜巨菌草颗粒饲料制备仿真模拟过程原料模型塑性变形量回归方程如式（2）所示，其方差分析结果如表5所示，该结果表示该模型可用于对鲜巨菌草颗粒饲料制备过程能耗进行预测。

表5 塑性变形方差分析表

2.3 各试验因素对试验指标影响主次

鲜巨菌草颗粒饲料制备仿真模拟过程各试验因素对试验指标的贡献情况如表6所示，根据各因素方差分析中的F值数值大小，即可判断试验因素锥口角度X1、锥口深度X2和模孔直径X3对试验指标能耗Y1和塑性变形量Y2贡献率。各因素对能耗Y1和塑性变形量Y2的贡献率排序均为：锥口角度X1﹥锥口深度X2﹥模孔直径X3。

表6 各因素对指标贡献分析

3 结语

根据Box-Behnken Design试验结果分析可得，在以颗粒制备过程物料最大变形和能耗为指标的试验中，锥口角度X1、锥口深度X2和模孔直径X3贡献排序为X1﹥X2﹥X3，最优工艺组合为锥口角度45°、锥口深度5 mm、模孔直径6 mm，可为鲜巨菌草颗粒制备装备关键部件的设计提供借鉴。