基于ABAQUS的厨余处理器刀盘仿真研究

何 娟

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

基于ABAQUS的厨余处理器刀盘仿真研究

何 娟

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

现代人们的环保意识逐渐增强，厨余垃圾的处理越来越受到重视。文章对厨余处理器采用SolidWorks进行建模，得到厨余处理器的三维图。在Hypermesh中进行仿真前处理，基于ABAQUS，对厨余垃圾处理器关键部件—旋转刀盘进行了静力学和瞬态动力学仿真分析，得到旋转刀盘的应力图和位移图，以验证厨余处理器的可靠性。

厨余处理器；旋转刀盘；ABQUS

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

前言

随着经济的快速发展，人们的生活得到了很大的改善，但是厨余垃圾随之快速增多。厨余垃圾已经变成了城市发展的负担，现在的很多发达国家也曾有过垃圾围城的危机。全世界每产生的厨余垃圾高达4.9亿吨，然而在我国每年就会产生1.5亿吨[1]。近些年，厨余垃圾再以飞快的速度增长着，因此，在目前的这种情况下，厨余垃圾处理器一定会逐步普及以减轻城市垃圾处理压力。

本文基于SolidWorks对厨余处理器进行建模，对厨余处理器的搅拌腔进行理论受力分析[2]。利用有限元处理软件ABAQUS对厨余处理器的关键部件—转动刀盘进行静强度、模态、以及瞬态动力学分析，以验证厨余处理器的强度。

1、厨余处理器介绍

1.1 厨余处理器模型

厨余处理器主要用于处理动物骨头和食物残渣。由小型电机带动刀盘和刀具高速旋转，刀盘高速旋转时，被处理物不会与刀盘同步旋转，从而产生一个速度差，加上离心力对被处理物的作用，使被处理物与刀盘的运动不同向，使得被处理的厨余垃圾向刀盘的边缘处运动。刀盘上装有活动锤击头粉碎刀具可以对被处理的厨余垃圾进行柔性锤击碾磨，达到迅速粉碎厨余垃圾的作用。厨余垃圾从投料口倒入粉碎腔内，立刻被高速旋转的锤击头的撞击、冲击、研磨、剪切等作用而破坏粉碎[3]。破碎后的厨余垃圾小于2mm 尺寸的颗粒随水流流进下水管，2mm尺寸以上的颗粒继续留在粉碎腔进行循环撞击粉碎。基于SolidWorks的三维模型如图1所示，剖视图如图2所示。

图1 厨余处理器三维模型

图2 厨余处理器剖视图

1.2 厨余处理器的布置

厨余处理器直接安装在洗碗槽下面，节约空间，安装示意图如下图3所示。一般标准水槽的内径是90mm，如果不是可以使用转接头。符合安装的条件[3]应满足洗碗槽下面的橱柜预留400mm的宽度，300mm的宽度，下水口距离水槽底部的距离应大于190mm。

图3 厨余处理器的安装示意图

2、关键零部件的仿真分析

根据大量的调查分析，厨余处理器的关键部件是旋转刀盘。长时间的使用，旋转刀盘易发生磨损甚至破坏。经试验得，旋转刀盘的撞击力大小为29.47N，故本文主要对厨余处理器的粉碎刀盘进行静力学和动力学分析。

2.1 旋转刀盘有限元模型

将旋转刀盘导入前处理软件Hypermesh进行前处理，为了提高网格划分的成功率及效率，本文在划分前对旋转刀盘进行了一定的简化，忽略了其中一些比较细微和对结果影响不大的结构[4]。网格划分成功后，共得到单元数162261，网格数34847。网格划分结果如下图4所示。

图4 旋转刀盘网格划分图

2.2 旋转刀盘静力学分析

粉碎刀盘长期在有液体的情况下工作，转速高，并且会受到循环载荷的作用，主要的破坏形式为疲劳破坏，因此在选择材料时不仅在满足强度和刚度的要求，同时也要有一定的耐腐蚀性。根据这些条件，选取的粉碎刀盘材料为1Cr13不锈钢。1Cr13不锈钢的材料特性如下表1所示。

表11 Cr13的材料特性

基于有限元处理软件ABAQUS，定义材料的弹性模量Young’s Modulus=200000，Poisson’s Ratio=0.3。如下图5所示，对旋转中心孔施加耦合约束[5]，在旋转刀盘主要承受撞击力的四个部位施加大小为29.47N的冲击载荷。旋转刀盘静力学分析结果应力图如下图6所示。

图5 旋转刀盘静力分析加载图

图6 旋转刀盘静力学分析应力图

由旋转刀盘静力学分析应力图可以看出，应力的最大值是170.595MPa。并且可以看出应力比较大的集中在旋转刀盘与主轴相连的连接孔处。根据1Cr13的材料特性可知，其屈服极限为345MPa，超过旋转刀盘的最大应力值，因此该旋转刀盘符合强度要求。

2.3 旋转刀盘动力学分析

图7 旋转刀盘瞬态分析载荷图

瞬态动力学分析（时间历程分析）是用来分析任意载荷情况下，结构动力学响应。瞬态动力学是分析确定结构在静载荷、瞬态载荷、简谐载荷的任意组合作用下的应力、应变、位移随时间变化规律。如下图7所示，在旋转刀盘主要撞击的部分施加冲击载荷，载荷的大小为29.47N，载荷的作用时间为0.01S。旋转刀盘瞬时动力学分析应力图如下图8所示。

图8 旋转刀盘瞬态分析应力图

由旋转刀盘瞬态分析应力图可以看出，应力的最大值为200.157MPa，且应力集中在旋转中心以及引导机构。由1Cr13的屈服极限为345MPa，超过旋转刀盘的最大应力值，因此该旋转刀盘符合强度要求。

3、结论

本文基于ABAQUS，利用仿真分析，对粉碎机的关键零部件—旋转刀盘进行了静力学和瞬态动力学分析，得出了一致结论，旋转刀盘的强度能够符合要求。因此该种厨余处理器能满足日常生活垃圾处理的要求。

[1] 赵欣,田宇,汤建化,等.我国生活垃圾处理现状分析与技术发展方向研究[J]. 广西轻工业. 2008(07)： 85-87. Xin Zhao,Yu Tian, Jianhua Tang，等. 2008(07)： 85-87.

[2] 王静泉. 厨房食物垃圾处理器的研制[D]. 吉林农业大学, 2005. Jingquan Wang. 2005.

[3] 张云龙.厨余垃圾处理器,科技设计助力环保[J]. 工业设计. 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] 鲍敏. 厨余处理器研制及关键零部件可靠性分析[D]. 中国科学技术大学, 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

第一作者及通讯作者简介：何娟，（1993-）在读研究生，就读于武汉理工大学汽车工程学院。主要研究方向：汽车CAD/CAE。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.022