基于Solid Works的立式圓盤脫溶干燥機(jī)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(dá)機(jī)械制造有限公司，山東 濟(jì)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(zhì)，是人類和動(dòng)物最主要的蛋白質(zhì)來源。豆粕是大豆提取豆油后的主要副產(chǎn)品，蛋白質(zhì)就保留在其中，經(jīng)低溫脫溶后的豆粕通過乙醇萃取工藝，可得到蛋白質(zhì)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(jī)為該工序關(guān)鍵設(shè)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(diǎn)[1]。

立式圓盤脫溶干燥機(jī)內(nèi)部的多層空心加熱盤是其主要部件，整臺(tái)設(shè)備從上至下依次交錯(cuò)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(nèi)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(nèi)外交替的落入各層圓盤上，使?jié)衿稍诙鄬蛹訜岜P上不斷吸熱升溫，從而使?jié)穸蛊蛇_(dá)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(shí)要求表面受熱均勻，才能保證其質(zhì)量的穩(wěn)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(jīng)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(diǎn)的影響，因此有必要對(duì)圓盤下板沖孔布局進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。本文利用Solid Works軟件的有限元分析模塊，對(duì)某加熱盤下板沖孔布局進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究其在不同沖孔布局下的應(yīng)力及位移變形量，分析何種布局更加合理，驗(yàn)證實(shí)際沖孔布局的合理性，下面以其中小加熱盤為例進(jìn)行分析。

1 立式圓盤脫溶干燥機(jī)小加熱盤結(jié)構(gòu)

立式圓盤脫溶干燥機(jī)小加熱盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，干燥機(jī)的加熱盤采用空心焊接結(jié)構(gòu)，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(jīng)內(nèi)、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(duì)稱布置一對(duì)進(jìn)汽口（4）和出汽口（5），為加熱盤空腔內(nèi)飽和水蒸汽的進(jìn)、出通道，圍板（3）與上板（1）內(nèi)圓焊接，主要是起到擋料的作用，同時(shí)對(duì)上板有支撐加強(qiáng)的作用。

圖1 立式圓盤脫溶干燥機(jī)小加熱盤結(jié)構(gòu)

2 參數(shù)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(wǎng)格劃分和計(jì)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(duì)裝配體卻無法實(shí)現(xiàn)，由于加熱盤內(nèi)部壓力同時(shí)作用于上板和下板，這里根據(jù)作用力和反作用力的原理，僅對(duì)加熱盤下板進(jìn)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(shù)如表1。

表1 材料屬性

圖2 圓周、正方形、正三角形布局對(duì)應(yīng)3D模型

2.2 約束和力的施加

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

圖3 圓周、正方形、正三角形布局對(duì)應(yīng)約束圖

加熱盤內(nèi)壓強(qiáng)各項(xiàng)均勻分布，因此對(duì)加熱盤下板進(jìn)行同等壓強(qiáng)分析，因沖孔后對(duì)應(yīng)接觸面積和不沖孔對(duì)應(yīng)平面面積相差無幾，故計(jì)算有效截面積時(shí)不再考慮沖孔。

式中：F為下板承受的壓力，N；Q為加熱盤內(nèi)工作壓強(qiáng)，Pa；S 為下板的有效截面積，m2；l為下板正圓錐臺(tái)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(jì)算工作時(shí)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(duì)應(yīng)壓力施加效果圖

2.3 網(wǎng)格劃分

結(jié)合加熱盤下板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取較高節(jié)點(diǎn)品質(zhì)的中面殼網(wǎng)格，對(duì)三種有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格化分，生成單元，單元格大小，公差和建立節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖5所示，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表2。

表2 圓周、正方形、正三角形布局下的網(wǎng)格劃分

圖5 圓周、正方形正三角形布局對(duì)應(yīng)網(wǎng)格圖

2.4 計(jì)算分析

通過分析計(jì)算，加熱盤下板在承壓狀態(tài)下的應(yīng)變分布圖如圖6所示，整個(gè)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(nèi)、外圈邊緣處變形曲率比較大，應(yīng)變量三種布局見表3。

圖6 圓周、正方形、正三角形布局對(duì)應(yīng)應(yīng)變趨勢(shì)圖

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

表3 加熱盤在三種布局下的最大及最小應(yīng)力和應(yīng)變量

圖7 圓周、正方形、正三角形布局應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

通過Solid Works Simulation軟件對(duì)三種沖孔布局的加熱盤下板進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)比加熱盤下板在三種沖孔布局下的最大和最小應(yīng)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(yīng)力為14.75 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度206.8 MPa，該數(shù)據(jù)結(jié)論驗(yàn)證了實(shí)際沖壓采用的正三角形沖孔的合理性。