家用全自動(dòng)面條機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要面條是人們經(jīng)常食用的主食之一，很多人都希望自己在家里就能夠方便快捷地做出美味可口的面條，在這種背景下家用全自動(dòng)面條機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要設(shè)計(jì)了一款擠壓式家用全自動(dòng)面條機(jī)，包括其整體結(jié)構(gòu)方案的確定、各種零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件（螺旋絞龍擠面軸）力學(xué)性能、有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。面條機(jī)的擠面部分是載荷情況最復(fù)雜的部分，也是最容易發(fā)生損壞的部分。面團(tuán)可將其視作流體，擠面軸是固體，此處涉及到流固耦合問題。為計(jì)算出擠面軸的受力與變形情況，校核其工作時(shí)能否滿足強(qiáng)度要求，故對面條機(jī)擠面部分進(jìn)行了流固耦合仿真。使用Fluent軟件，應(yīng)用有限元分析的相關(guān)方法和計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)知識，從對面團(tuán)的流體仿真和對擠面軸的固體力學(xué)仿真兩個(gè)方面分析了擠面部分內(nèi)部的流場性質(zhì)和擠面軸的載荷分布，得出了面條機(jī)工作時(shí)擠面軸變形量極小、強(qiáng)度足夠、足以滿足工作要求的結(jié)論。關(guān)鍵詞：面條機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析計(jì)算流體力學(xué)流固耦合目錄1緒論 [29]可知面團(tuán)參數(shù)如表4-1所示。表4-1面團(tuán)參數(shù)名稱符號單位數(shù)值冪律指數(shù)n0.4時(shí)間常數(shù)λs2.12零剪切黏度ηPa·s24350無限剪切黏度ηPa·s0密度ρkg/850在Fluent軟件的Setup模塊中設(shè)置物性條件與計(jì)算條件。該流體域幾何模型由靜止流體域和旋轉(zhuǎn)流體域兩部分組成，形狀也較為復(fù)雜，為達(dá)到較精確的計(jì)算結(jié)果，使用雙精度穩(wěn)態(tài)求解器。面團(tuán)流動(dòng)速度為低速，使用層流模型求解面團(tuán)流動(dòng)情況。使用單參考系法（SRF）定義旋轉(zhuǎn)流體域的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為48r/min。壓力與速度的耦合方法使用couple方法，計(jì)算格式均使用二階迎風(fēng)格式。對旋轉(zhuǎn)絞龍表面的力和進(jìn)出口流量進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算至力和出入口流量穩(wěn)定視為計(jì)算完成。4.2.3流體計(jì)算結(jié)果在Fluent軟件中的Solution進(jìn)行求解，并最終在Results中得到求解結(jié)果。螺旋絞龍擠面軸表面和垂直于入口平面截面的面團(tuán)流場壓力分布如圖4.4所示。圖4.4面團(tuán)流場壓力分布云圖可見流體壓力從入口至出口呈遞增規(guī)律，到達(dá)螺旋絞龍擠面軸葉片底部時(shí)壓力最大，壓力最大值為39.74Mpa。螺旋絞龍擠面軸葉片的前表面壓力大于后表面，這是由于流體主要是靠葉片前表面推動(dòng)的緣故。圖4.5為面團(tuán)流場速度分布云圖。圖4.5面團(tuán)流場速度分布云圖可見螺旋絞龍擠面軸葉片最外側(cè)壁面附近的面團(tuán)流動(dòng)速度最大，速度最大值為0.101m/s。圖4.6為面團(tuán)流場粘度分布云圖。圖4.6面團(tuán)流場粘度分布云圖可見流場粘度最大區(qū)域主要集中在螺旋絞龍擠面軸葉片根部，螺旋絞龍擠面軸葉片外緣的粘度較小。這是由于螺旋絞龍擠面軸葉片根部速度小而外緣速度大的緣故。4.3擠面軸固體力學(xué)仿真4.3.1網(wǎng)格劃分與材料屬性使用ANSYSWorkbench軟件庫中的Mechanical軟件計(jì)算固體區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布。由于本仿真主要關(guān)注螺旋絞龍擠面軸的應(yīng)力分布狀況，因此只計(jì)算螺旋絞龍擠面軸的受力情況。先用Mechanical軟件中的Mesh模塊對螺旋絞龍擠面軸進(jìn)行網(wǎng)格化處理，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4.7所示。圖4.7螺旋絞龍擠面軸網(wǎng)格劃分情況對螺旋絞龍擠面軸的葉片區(qū)域使用全六面體網(wǎng)格劃分，對螺旋絞龍擠面軸的軸采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在葉片根部對網(wǎng)格進(jìn)行加密。旋轉(zhuǎn)絞龍采用304不銹鋼進(jìn)行制造，304不銹鋼的材料屬性如表2所示。表4-2304不銹鋼材料屬性名稱符號單位數(shù)值密度kg/7930楊氏模量EMpa194020泊松比ν0.3屈服強(qiáng)度σMpa205抗拉強(qiáng)度σMpa5204.3.2固體計(jì)算結(jié)果對螺旋絞龍擠面軸軸的兩端采用固定支撐，將4.2中面團(tuán)流體仿真計(jì)算得到的壓力導(dǎo)入螺旋絞龍擠面軸固體域表面進(jìn)行計(jì)算。螺旋絞龍擠面軸的總變形量結(jié)算結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8螺旋絞龍擠面軸應(yīng)變分布云圖由圖4.8可知，螺旋絞龍擠面軸由于其材料304不銹鋼優(yōu)良的材料性能，因而在工作時(shí)變形量很小，其最大變形量僅僅為0.00282mm，可以認(rèn)為幾乎是不發(fā)生變形的。螺旋絞龍擠面軸工作時(shí)的最大形變處位于螺旋絞龍葉片外緣。圖4.9為螺旋絞龍擠面軸應(yīng)力分布云圖。圖4.9螺旋絞龍擠面軸應(yīng)力分布云圖由圖4.9可知，應(yīng)力主要分布在旋轉(zhuǎn)絞龍葉片根部，最大應(yīng)力σmax=39.74Mpa，遠(yuǎn)小于304不銹鋼許用強(qiáng)度σ0.2=205Mpa，因此螺旋絞龍擠面軸的強(qiáng)度是足夠的。4.4本章小結(jié)本章通過使用Fluent軟件，對擠面部分進(jìn)行了流固耦合仿真，包括面團(tuán)流體仿真和擠面軸固體力學(xué)仿真，分別得到了流場壓力、速度、黏度分布云圖和固體應(yīng)變、應(yīng)力分布云圖。通過面團(tuán)流體仿真分析得出，流體壓力從入口至出口呈遞增規(guī)律，到達(dá)螺旋絞龍擠面軸葉片底部時(shí)壓力最大，壓力最大值為39.74Mpa；螺旋絞龍擠面軸葉片最外側(cè)壁面附近的面團(tuán)流動(dòng)速度最大，速度最大值為0.101m/s；流場粘度最大區(qū)域主要集中在螺旋絞龍擠面軸葉片根部，螺旋絞龍擠面軸葉片外緣的粘度較小。通過擠面軸固體仿真分析得出，螺旋絞龍擠面軸最大應(yīng)變處為螺旋絞龍葉片外緣，最大應(yīng)變量為0.00282mm，可以認(rèn)為幾乎不發(fā)生變形；應(yīng)力主要分布在旋轉(zhuǎn)絞龍葉片根部，最大應(yīng)力σmax=39.74Mpa結(jié)論由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，現(xiàn)代家庭對于食品衛(wèi)生和生活品質(zhì)這些方面的要求越來越高，對廚房家用小電器的需求也日益增長。為了滿足家庭制作面條等食物的加工需求，本文在對國內(nèi)外家用全自動(dòng)面條機(jī)研究現(xiàn)狀和市場銷售現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究之后，設(shè)計(jì)出了一款新型擠壓式家用全自動(dòng)面條機(jī)，并用有限元分析（FEA）和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的相關(guān)知識對其關(guān)鍵零部件（螺旋絞龍擠面軸）進(jìn)行了流固耦合（FSI）仿真，得出了面條機(jī)在工作狀態(tài)下的流場壓力、速度、黏度分布云圖和螺旋絞龍擠面軸的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。本次設(shè)計(jì)，先是對市面上已有的家用全自動(dòng)面條機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，了解了家用全自動(dòng)面條機(jī)的三本基本類型和各種類型的工作原理，并選擇了擠壓式面條機(jī)作為設(shè)計(jì)對象，對其進(jìn)行了需求分析并確定了設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行了功能分析并了解了其主要環(huán)節(jié)和技術(shù)，確定了傳動(dòng)方案為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，確定了總體布置方案為攪面、擠面機(jī)構(gòu)交錯(cuò)軸布置，完成了各零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)和整機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)，用SolidWorks軟件進(jìn)行了各零部件的三維建模和最終的整機(jī)裝配，用CAD軟件完成了面條機(jī)裝配圖和部分零件圖（異形攪面爪軸部和爪部）的繪制，對螺旋絞龍擠面軸進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用Fluent軟件對其進(jìn)行了流固耦合仿真，最終得出了其在工作狀態(tài)下變形量極小且強(qiáng)度足夠的結(jié)論。參考文獻(xiàn)高振英.面條與面條機(jī)[J].食品機(jī)械,1988(01):6-8+10.石瑜，尚銳，孫志堅(jiān)，姜旺彤.全自動(dòng)家用面條機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2019，（8）：4-5.林宗德,林新英,陳文.多功能輥式自動(dòng)面條機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào),2019,18(06):25-29.馮濤.面條達(dá)人的獨(dú)家秘笈——九陽JYS-N6面條機(jī)評測[J].家用電器,2013(06):72-73.陳昌成.北美電器搶灘中國從小家電開始[N].中國企業(yè)報(bào),2003/10/30.南秀淵.有限元法研究的崢嶸歲月[N].新清華,2014-05-23(007).曾攀.有限元分析及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2004（2019.10重?。?CloughRW.Thefiniteelementmethodinplanestressanalysis.Proc.2ndConf.ElectronicComputation,ASCE,Pittsburg,1960,Sept.ArgyrisJH.EnergyTheoremsandStructuralAnalysis.London:Butterworth,1960（根據(jù)AircraftEnginnering,1954Oct-1955May重?。㈱ienkiewiczOC,CheungYK.TheFiniteElementMethodinStructuralandContinuumMechanics.London:McGraw-Hill,1967.OdenJT.Finiteelementfornonlinearcontinua.NewYork:McGraw-Hill,1972何川.CFD基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].重慶大學(xué)出版社王琳.CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]BijaySultanian.FluidMechanicsandTurbomachinery:ProblemsandSolutions[M].CRCPress:2021-05-07.HuilinLu,DimitriGidaspow,ShuyanWang.ComputationalFluidDynamicsandtheTheoryofFluidization[M].:2021-05-06.AlbertS.Kim.AdvancedComputationalFluidDynamicsforEmergingEngineeringProcesses-Eulerianvs.Lagrangian[M].IntechOpen:2019-12-11.SunZhi-Zhong,GaoGuang-hua.FractionalDifferentialEquations:FiniteDifferenceMethods[M].DeGruyter:2020-08-13.ArzhangAngoshtari,AliGeramiMatin.FiniteElementMethodsinCivilandMechanicalEngineering:AMathematicalIntroduction[M].CRCPress:2020-12-09.F.Moukalled,L.Mangani,M.Darwish.TheFiniteVolumeMethodinComputationalFluidDynamics[M].Springer,Cham:2016-01-01.TayfunE.Tezduyar.FrontiersinComputationalFluid-StructureInteractionandFlowSimulation[M].Birkh?user,Cham:2018-01-01.劉陽,潘利坦,孟鵬,韋正鵬.基于流固耦合的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