何 娟

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于ABAQUS的廚余處理器刀盤仿真研究

何 娟

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)代人們的環(huán)保意識逐漸增強，廚余垃圾的處理越來越受到重視。文章對廚余處理器采用SolidWorks進行建模，得到廚余處理器的三維圖。在Hypermesh中進行仿真前處理，基于ABAQUS，對廚余垃圾處理器關(guān)鍵部件—旋轉(zhuǎn)刀盤進行了靜力學(xué)和瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析，得到旋轉(zhuǎn)刀盤的應(yīng)力圖和位移圖，以驗證廚余處理器的可靠性。

廚余處理器；旋轉(zhuǎn)刀盤；ABQUS

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-67-03

前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活得到了很大的改善，但是廚余垃圾隨之快速增多。廚余垃圾已經(jīng)變成了城市發(fā)展的負擔(dān)，現(xiàn)在的很多發(fā)達國家也曾有過垃圾圍城的危機。全世界每產(chǎn)生的廚余垃圾高達4.9億噸，然而在我國每年就會產(chǎn)生1.5億噸[1]。近些年，廚余垃圾再以飛快的速度增長著，因此，在目前的這種情況下，廚余垃圾處理器一定會逐步普及以減輕城市垃圾處理壓力。

本文基于SolidWorks對廚余處理器進行建模，對廚余處理器的攪拌腔進行理論受力分析[2]。利用有限元處理軟件ABAQUS對廚余處理器的關(guān)鍵部件—轉(zhuǎn)動刀盤進行靜強度、模態(tài)、以及瞬態(tài)動力學(xué)分析，以驗證廚余處理器的強度。

1、廚余處理器介紹

1.1 廚余處理器模型

廚余處理器主要用于處理動物骨頭和食物殘渣。由小型電機帶動刀盤和刀具高速旋轉(zhuǎn)，刀盤高速旋轉(zhuǎn)時，被處理物不會與刀盤同步旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個速度差，加上離心力對被處理物的作用，使被處理物與刀盤的運動不同向，使得被處理的廚余垃圾向刀盤的邊緣處運動。刀盤上裝有活動錘擊頭粉碎刀具可以對被處理的廚余垃圾進行柔性錘擊碾磨，達到迅速粉碎廚余垃圾的作用。廚余垃圾從投料口倒入粉碎腔內(nèi)，立刻被高速旋轉(zhuǎn)的錘擊頭的撞擊、沖擊、研磨、剪切等作用而破壞粉碎[3]。破碎后的廚余垃圾小于2mm 尺寸的顆粒隨水流流進下水管，2mm尺寸以上的顆粒繼續(xù)留在粉碎腔進行循環(huán)撞擊粉碎?；赟olidWorks的三維模型如圖1所示，剖視圖如圖2所示。

圖1 廚余處理器三維模型

圖2 廚余處理器剖視圖

1.2 廚余處理器的布置

廚余處理器直接安裝在洗碗槽下面，節(jié)約空間，安裝示意圖如下圖3所示。一般標(biāo)準(zhǔn)水槽的內(nèi)徑是90mm，如果不是可以使用轉(zhuǎn)接頭。符合安裝的條件[3]應(yīng)滿足洗碗槽下面的櫥柜預(yù)留400mm的寬度，300mm的寬度，下水口距離水槽底部的距離應(yīng)大于190mm。

圖3 廚余處理器的安裝示意圖

2、關(guān)鍵零部件的仿真分析

根據(jù)大量的調(diào)查分析，廚余處理器的關(guān)鍵部件是旋轉(zhuǎn)刀盤。長時間的使用，旋轉(zhuǎn)刀盤易發(fā)生磨損甚至破壞。經(jīng)試驗得，旋轉(zhuǎn)刀盤的撞擊力大小為29.47N，故本文主要對廚余處理器的粉碎刀盤進行靜力學(xué)和動力學(xué)分析。

2.1 旋轉(zhuǎn)刀盤有限元模型

將旋轉(zhuǎn)刀盤導(dǎo)入前處理軟件Hypermesh進行前處理，為了提高網(wǎng)格劃分的成功率及效率，本文在劃分前對旋轉(zhuǎn)刀盤進行了一定的簡化，忽略了其中一些比較細微和對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)格劃分成功后，共得到單元數(shù)162261，網(wǎng)格數(shù)34847。網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)刀盤網(wǎng)格劃分圖

2.2 旋轉(zhuǎn)刀盤靜力學(xué)分析

粉碎刀盤長期在有液體的情況下工作，轉(zhuǎn)速高，并且會受到循環(huán)載荷的作用，主要的破壞形式為疲勞破壞，因此在選擇材料時不僅在滿足強度和剛度的要求，同時也要有一定的耐腐蝕性。根據(jù)這些條件，選取的粉碎刀盤材料為1Cr13不銹鋼。1Cr13不銹鋼的材料特性如下表1所示。

表11 Cr13的材料特性

基于有限元處理軟件ABAQUS，定義材料的彈性模量Young’s Modulus=200000，Poisson’s Ratio=0.3。如下圖5所示，對旋轉(zhuǎn)中心孔施加耦合約束[5]，在旋轉(zhuǎn)刀盤主要承受撞擊力的四個部位施加大小為29.47N的沖擊載荷。旋轉(zhuǎn)刀盤靜力學(xué)分析結(jié)果應(yīng)力圖如下圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)刀盤靜力分析加載圖

圖6 旋轉(zhuǎn)刀盤靜力學(xué)分析應(yīng)力圖

由旋轉(zhuǎn)刀盤靜力學(xué)分析應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力的最大值是170.595MPa。并且可以看出應(yīng)力比較大的集中在旋轉(zhuǎn)刀盤與主軸相連的連接孔處。根據(jù)1Cr13的材料特性可知，其屈服極限為345MPa，超過旋轉(zhuǎn)刀盤的最大應(yīng)力值，因此該旋轉(zhuǎn)刀盤符合強度要求。

2.3 旋轉(zhuǎn)刀盤動力學(xué)分析

圖7 旋轉(zhuǎn)刀盤瞬態(tài)分析載荷圖

瞬態(tài)動力學(xué)分析（時間歷程分析）是用來分析任意載荷情況下，結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。瞬態(tài)動力學(xué)是分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷、簡諧載荷的任意組合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移隨時間變化規(guī)律。如下圖7所示，在旋轉(zhuǎn)刀盤主要撞擊的部分施加沖擊載荷，載荷的大小為29.47N，載荷的作用時間為0.01S。旋轉(zhuǎn)刀盤瞬時動力學(xué)分析應(yīng)力圖如下圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)刀盤瞬態(tài)分析應(yīng)力圖

由旋轉(zhuǎn)刀盤瞬態(tài)分析應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力的最大值為200.157MPa，且應(yīng)力集中在旋轉(zhuǎn)中心以及引導(dǎo)機構(gòu)。由1Cr13的屈服極限為345MPa，超過旋轉(zhuǎn)刀盤的最大應(yīng)力值，因此該旋轉(zhuǎn)刀盤符合強度要求。

3、結(jié)論

本文基于ABAQUS，利用仿真分析，對粉碎機的關(guān)鍵零部件—旋轉(zhuǎn)刀盤進行了靜力學(xué)和瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出了一致結(jié)論，旋轉(zhuǎn)刀盤的強度能夠符合要求。因此該種廚余處理器能滿足日常生活垃圾處理的要求。

[1] 趙欣,田宇,湯建化,等.我國生活垃圾處理現(xiàn)狀分析與技術(shù)發(fā)展方向研究[J]. 廣西輕工業(yè). 2008(07)： 85-87. Xin Zhao,Yu Tian, Jianhua Tang，等. 2008(07)： 85-87.

[2] 王靜泉. 廚房食物垃圾處理器的研制[D]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2005. Jingquan Wang. 2005.

[3] 張云龍.廚余垃圾處理器,科技設(shè)計助力環(huán)保[J]. 工業(yè)設(shè)計. 2011 (11)： 52-53. Yunlong Zhang. 2011(11)： 52-53.

[4] Wang Y, Tan G, Yang B, et al. The Finite Element Analysis and Optimization on a Special Vehicle[Z]. SAE International, 2015-.

[5] 鮑敏. 廚余處理器研制及關(guān)鍵零部件可靠性分析[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011. Min Bao. 2011.

Research on the simulation of cutter disk of kitchen waste processor based on ABAQUS

He Juan
（School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070）

The modern people's environmental protection consciousness strengthens gradually, more and more attention is paid to the disposal of kitchen waste. The kitchen waste processor using SolidWorks modeling, and the key parts of the rotating cutter for theory of strength check and the use of fluid mechanics, structural mechanics, theoretical derivation of the load. Based on ABAQUS, the simulation analysis of the key parts of kitchen waste processor, rotary cutter, is carried out to verify the reliability of kitchen waste processor.

kitchen processor; rotary cutter head; ABQUS

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-67-03

第一作者及通訊作者簡介：何娟，（1993-）在讀研究生，就讀于武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院。主要研究方向：汽車CAD/CAE。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.022