■彭 飛 王紅英 楊 潔 康宏彬 李 恒

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術裝備研發(fā)分中心，北京 100083）

顆粒飼料的制粒是指將粉狀飼料原料或粉狀飼料經(jīng)過水、熱調制并通過機械擠壓且強制通過模孔而聚合成形的過程。制粒后的顆粒飼料具有以下優(yōu)點：①可避免動物挑食；②飼料報酬率高；③貯存運輸更為經(jīng)濟；④流動性好，便于管理；⑤避免飼料成分自動分級，減少環(huán)境污染；⑥殺滅動物飼料中的沙門氏菌等[1]。因此，顆粒飼料具有廣泛的適用性[2]。擠壓作為顆粒飼料的成形階段，直接影響著顆粒的品質和制粒效率，對飼料的加工生產(chǎn)具有重要意義，已經(jīng)越來越受到飼料企業(yè)的高度關注。

ANSYS是一種大型有限元分析軟件，功能強大，可以模擬結構、熱、流體、電磁、聲學等領域的各種復雜物理現(xiàn)象。近年來，該軟件在我國機械設計與制造、航空航天、交通、化工、能源、生物等行業(yè)得到了大量的應用[3-6]。就顆粒擠壓成形而言，由于擠壓的機理復雜，擠壓時物料又是在密閉的模孔中流動，因此對擠壓過程中物料的流動情況及物料和模具的應力應變情況難以掌握，近幾年學者對擠壓成形的研究主要側重于配方和工藝方面。為此，本文以顆粒飼料擠壓過程中的物料和?？鬃鳛檠芯繉ο螅捎肁NSYS中的非線性結構分析模塊對成形過程仿真技術，對飼料擠壓成形過程進行計算機模擬，從而研究飼料的成形機理和成形過程中物料和?？椎膽?、應變及其歷史演化規(guī)律，用于指導生產(chǎn)實踐。

1 擠壓過程力學分析

顆粒制粒機的擠壓成形過程，是建立在粉粒體間存在間隙的基礎上在溫度、摩擦力和擠壓力等綜合因素的作用下，粉粒體的空隙縮小，形成具有一定密度和強度的顆粒。根據(jù)粉料在擠壓過程中不同的狀態(tài)，將其分為3個區(qū)，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形區(qū)[7]（見圖1）。①供料區(qū)：物料基本不受機械外力的影響，但它受離心力的影響（環(huán)模旋轉），使粉料緊貼在環(huán)模的內(nèi)圈上，密度為0.4～0.7 g/cm3。②變形壓緊區(qū)：隨著模輥的旋轉，物料進入壓緊區(qū)，受到模輥的擠壓作用，粉料之間產(chǎn)生相對位移。隨著擠壓力的繼續(xù)增大，粉粒體間空隙逐步縮小，物料產(chǎn)生不可逆的變形，密度增加到0.9～1.0 g/cm3。③擠壓成形區(qū)：在成形區(qū)內(nèi)，模輥間隙較小，擠壓力急劇變化，粉粒體之間接觸表面積增大，產(chǎn)生較好的粘結，并被壓入?？住Ｎ锪嫌捎诋a(chǎn)生彈性形變和塑性形變等組合變形，形成的顆粒密度達到1.2～1.4 g/cm3。

圖1 制粒原理

制粒機通過壓輥對物料的擠壓作用，將顆粒飼料由模孔擠壓出來。在擠壓成形區(qū)，位于?？字械奈锪鲜艿捷S向的擠壓力和環(huán)模內(nèi)壁對其的摩擦力；物料受到的擠壓力克服摩擦力，最后被擠壓出?？住Ｄ？拙喑隹谌我馕恢锰幍臄D壓壓強受力模型如圖2所示[8]。

式中：PN0—預緊壓強（N/mm2）；

VLR—物料泊松比；

f—物料與?？字g的摩擦系數(shù)；

x—計算截面距離出料孔口的距離（mm）；rh—?？装霃剑╩m）。

2 建立有限元模型

2.1 模型類型的確立

圖2 ?？變?nèi)物料受力示意圖

由于受到壓輥的擠壓作用，松散的物料到達擠壓成形區(qū)后擠壓粘結在一起。為便于研究，可將物料視為可壓縮的連續(xù)體，根據(jù)連續(xù)體彈塑性力學的理論來研究其變形情況。

2.2 幾何模型的確立

該問題屬于狀態(tài)非線性大變形接觸問題。選取物料的一部分作為研究對象，重點研究物料在環(huán)?？變?nèi)的受力情況，其作用過程模型簡圖如圖3所示。

圖3 模型簡圖

根據(jù)模孔和物料的軸對稱性，選擇擠壓物料和?？妆诳v截面的1/2建立幾何模型；在定義單元類型時選擇Axisymmetric。根據(jù)文獻[1]，不同類型飼料的?？字睆皆?.0～9.5 mm，取物料的某一段為研究對象，設其大小為0.006 m×0.012 m。

2.3 材料參數(shù)

在飼料擠壓成形過程中，通過建立接觸對來模擬物料與?？妆诘南嗷ソ佑|擠壓。在運動中會有摩擦產(chǎn)生，因此，需建立物料、?？妆?、接觸單元3種材料模型，相應的材料編號為1,2,3。材料的相應參數(shù)可查閱有關資料，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

2.4 劃分單元

在有限元分析過程中，考慮到計算精度和計算時間，可將模型簡化為二維平面問題，擬采用ANSYS中的plane183。plane183是高階2維8節(jié)點單元，既可以用作平面單元（平面應力、平面應變和廣義平面應變），也可用作軸對稱單元。本單元具有塑性、蠕變、應力剛度、大變形及大應變的能力。

在模型的網(wǎng)格劃分過程中，為了能夠對節(jié)點和單元進行有效地控制，對網(wǎng)格的劃分要求非常細密。對環(huán)模孔進行自由劃分，網(wǎng)格單元尺寸為0.001 m；物料采用映射劃分，網(wǎng)格單元尺寸0.000 6 m。劃分的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 建模與網(wǎng)格劃分

2.5 建立接觸對

本文屬于典型的剛體—柔體的面—面接觸問題，使用目標單元169和接觸單元172，將柔性面-物料作為接觸面處理，將剛性面-?？鬃鳛槟繕嗣嫣幚?。

2.6 定義載荷和約束

對?？资┘庸潭s束，使其固定不能移動。在物料的頂部施加向下的載荷和位移，模擬物料受到壓輥對其的擠壓力和在該力作用下產(chǎn)生的位移。

由于本例為非線性問題，為避免計算過程中的不收斂的情況，在求解前，作些有利于收斂點的規(guī)定[9]：將Analysis option中設Large deform effect為on；將牛頓-拉普森（New-Raphon）選項設置為FULL；打開自動時間步長，啟動線性搜索和設置合理的平衡迭代次數(shù)進行求解。

3 受力情況分析

進入ANSYS的后處理模塊可以得到一系列分析結果。后處理模塊包括通用后處理模塊和時間歷程相應后處理模塊。通用后處理模塊可以用于查看整個模型或選定的部分模型在某一子步或時間步的結果；而時間歷程響應后處理模塊用于查看特定點在某一時間步的結果。

圖5 徑向應力等直線

圖6 軸向應力等直線

圖7 徑向應變等直線

圖8 等效應力等直線

從圖5～圖8可以看出，在擠壓成形過程中，物料受到頂部擠壓力和?？變?nèi)壁摩擦力的綜合作用，物料應力呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：隨著物料的不斷擠壓，物料底部應力越來越大，越來越致密；物料越靠近?？變?nèi)壁，所受的擠壓力和變形越大，越靠近物料中心，所受的擠壓力和變形逐漸減小。

圖9 摩擦應力等直線

從圖9可以看出，物料進入環(huán)?？缀?，同時受到頂部壓輥的擠壓力和模孔的摩擦力；在?？椎菇翘?，物料受到的摩擦力較為均勻，在?？椎菇呛椭笨椎慕佑|處，物料受到接觸摩擦力最大；進入直孔以后，物料外側由于受到摩擦阻力的影響，流動性會滯后于內(nèi)部，擠出后的顆粒飼料沿直徑方向會產(chǎn)生彈性膨脹和彈性滯后現(xiàn)象，存在一定的內(nèi)應力，這是導致纖維含量高的顆粒飼料橫向裂紋的部分原因。

4 結論

結合顆粒飼料擠壓成形的主要特點和物料在環(huán)?？變?nèi)的受力情況，應用ANSYS對物料的擠壓成形過程進行了有限元模擬。研究了擠壓過程中飼料的流變特性，得到了應力、應變圖和摩擦應力圖，結果表明：?？资艿降淖畲髴κ窃谠S用應力范圍內(nèi)，因此物料不會對環(huán)?？桩a(chǎn)生破壞；物料越靠近?？妆冢瑧蛻冊酱?，具有一定的層次性；物料進入倒角區(qū)開始，等效應力逐漸增大，進入通孔以后，等效應力變化平緩；物料外側由于受到摩擦阻力的影響，流動性滯后于內(nèi)部，可能會導致顆粒飼料產(chǎn)生橫向裂紋。本實驗的方法和結果，可以為模孔結構的設計、顆粒飼料品質和制粒性能的提高提供新的方法和理論依據(jù)。