新型碗狀海蜇螺旋切割系統設計及仿真研究與驗證

韓傳龍 - 蘆金石 - 陶學恒 - 馮怡然 - 鐘森淼 - 王 靜 g 郭 帥

(大連工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

海蜇營養豐富且具有一定藥用功效，其中食用及調理方便的海蜇絲是市場上銷售的主要海蜇產品[1]。目前對于碗狀海蜇皮的切絲加工，主要有人工切絲和液壓系統驅動的海蜇切絲機兩種方法[2]。人工切絲效率低、成本高、對人損傷大，切絲質量不穩定[3]；由液壓驅動的海蜇切絲機能耗大，與電力驅動相比效率低、柔性差，且容易對海蜇造成污染，海蜇的食品安全性較差。

試驗擬應用SolidWorks設計一種由伺服電缸驅動的新型螺旋切割系統，利用軟件LS-DYNA對新型碗狀海蜇螺旋切割系統切割海蜇皮的動態過程進行仿真[4-5]，觀察海蜇皮切絲過程中刀路的產生、加深及斷裂的動態過程，分析海蜇皮在切絲過程中不同時刻剪切力的變化趨勢和應力分布情況，以期為新型碗狀海蜇螺旋切割系統設計及參數選取提供依據。

1 切割系統組成與工作原理

1.1 系統結構

新型碗狀海蜇螺旋切割系統如圖1所示。采用伺服電缸傳動，工作穩定、結構簡單、操作精準且干凈衛生[6]。電缸4垂直固定在電缸墊板5上部，既符合切割性能要求，又節省空間資源。長導向銷11和短導向銷13用于導向以確保切絲過程的平穩性。剔料盤14用于防止切絲過程中海蜇皮粘刀，上刀盤8與上蓋板12兩個獨立部件分別用螺釘連接，方便螺旋切刀10拆卸清洗。盛料盤6的兩邊與鏈條連接，鏈條只起到上料作用，本身不能承受豎向載荷，下支撐板1通過連接螺柱2固定可以保證切割時裝置的可靠性。

1.下支撐板 2.連接螺柱 3.伺服電機 4.電缸 5.電缸墊板6.盛料盤 7.定位銷 8.上刀盤 9.彈簧 10.螺旋切刀11.長導向銷 12.上蓋板 13.短導向銷 14.剔料盤

圖1 切割系統結構圖與爆炸視圖

Figure 1 Structure diagram and exploded view of cutting system

1.2 工作原理

將待加工的碗形海蜇皮放入盛料盤6，啟動裝置，伺服電機3收到上位機發出的信號，帶動電缸4的滾珠絲杠將伺服電機3的旋轉運動轉化為電缸推桿的直線運動，從而驅動刀體在長導向銷11的導向下向下運動。定位銷7與盛料盤6上孔定位后，剔料盤14開始與海蜇皮接觸，螺旋切刀10向下透過剔料盤14對海蜇切絲，在切絲過程中彈簧9被壓縮，當螺旋切刀10與盛料盤6接觸時海蜇皮被切透，通過限位開關使刀體停止運動完成切絲作業。電缸4帶動螺旋切刀10向上運動，同時剔料盤14在彈簧9作用下發生回彈，完成脫料作業，當限位開關感應到刀體上的金屬片時刀體停止運動，回到初始位置為下一次對海蜇切絲作準備。

2 有限元建模及數值仿真

采用Hypermesh/LS-DYNA建模和動態仿真，得到切絲形變過程中剪切力和應力的變化。

2.1 參數設置

由于從開始接觸海蜇到完全切透的過程中涉及到變形、材料等多重非線性問題，故對模型進行簡化處理[7-8]以減少非剪切力影響因素對仿真帶來的干擾。

在SolidWorks中建立由海蜇皮、盛料盤以及螺旋切刀組成的三維模型，將各三維模型裝配轉化成兼容模式并導入Hypermesh中[9]。仿真模型選用Solid體單元，海蜇皮的傘徑為167 mm，厚度3 mm，采用中心單點積分算法，單點積分單元計算速度快同時也有利于大變形分析，但會出現零能模式，需要用沙漏黏性阻尼以克服零能模式[10]。

2.2 材料的本構模型

2.2.1 螺旋切刀 螺旋切刀選擇440C材質，切絲時變形很小，將其定義為剛體，為減少CPU計算時間，選用*MAT_RIGID本構模型，將剛體內所有節點的自由度都耦合到剛體的質量中心。螺旋切刀材料參數見表1。

表1 螺旋切刀材料參數

2.2.2 海蜇 試驗所用的半干品海蜇皮主要由中膠質組成，由于海蜇自身存在的差異導致其物理力學性能之間也存在差異，根據Hypermesh軟件材料庫中不同材料的特性，采用與應變率有關且可以考慮失效的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本構模型，模型的屈服條件：

(1)

定義：

ξij=sij-αij，

(2)

(3)

使用Cowper-Symonds模型計算應變率[11]，該模型通過應變率相關因子表示屈服應力：

(4)

式中：

Φ——屈服函數，MPa；

σ0——初始屈服應力，MPa；

C、P——Cowper-Symonds應變率參數；

Ep——塑性硬化模量，MPa；

sij——彈性偏應力狀態；

αij——共轉率，%；

β——硬化參數。

海蜇材料參數如表2所示。

2.2.3 盛料盤 盛料盤選擇聚氨酯，采用*MAT_BLATZ-KO_FOAM本構模型。盛料盤材料參數見表3。

表2 海蜇材料參數

表3 盛料盤材料參數

當材料參數的卡片創建完成后，將所創建材料屬性添加至切割系統模型分別賦予給各自模塊。

2.3 網格劃分及邊界條件定義

切割系統有限元模型的網格劃分見圖2，仿真模型的節點數為983 268，單元個數是809 550。為了更好地觀察海蜇皮的變形、刀路形成過程，細化海蜇皮網格劃分，以減少螺旋切刀切割海蜇皮時距離刀刃最近的海蜇皮模型單元的丟失。對于螺旋切刀和盛料盤在滿足計算精度的前提下采用相對稀疏的網格，以加快計算速度[12]。

1.螺旋切刀模型 2.盛料盤模型 3.海蜇皮模型

為了方便仿真模型邊界條件的添加，將海蜇皮、螺旋切刀、盛料盤分別定義為Part1、Part2和Part3。切割海蜇皮時，盛料盤固定不動，故全約束盛料盤Part3的自由度；螺旋切刀沿Y軸上下往復運動，切割時賦予其沿著Y軸負方向運動(速度0.133 m/s，時間0.05 s)。

將模型之間的接觸類型定義為面—面接觸。建立有限元模型時可能存在模型之間的干涉問題，故需要進行檢查并將這些節點移動到可能接觸的界面上，以免影響仿真結果的準確性。對海蜇皮單元定義*MAT_ADD_EROSSION，添加失效應變或失效應力作為判別依據。在有限元模型中接觸面單元會因為單元應力、應變超過設定值而受到破壞，受到破壞失效的單元從模型中刪除，多個被刪除的單元連接起來，在海蜇皮模型中形成斷裂。

2.4 數值計算結果及分析

切割系統仿真模型經前處理后，導入到計算分析軟件進行求解，并將求解的二進制d3plot數據文件通過LS-PrePost進行后處理，以得到螺旋切刀切割海蜇皮的動態斷裂過程以及海蜇內部各單元體應力分布云圖和剪切力曲線圖。

2.4.1 海蜇皮切割斷裂及應力分析 后處理得到的Von Mises stress處理結果通常被稱作等效應力，Von Mises屈服準則與形狀改變比能理論相對應，在后處理器中通過應力等值線表示海蜇內部的應力分布情況，以清楚地表達出應力在整個模型中的變化，得出隨著螺旋切刀的切割深入，海蜇失效情況和最先破壞的區域。

如圖3(a)所示，仿真開始后螺旋切刀與海蜇皮瞬間接觸，接觸面產生較大的沖擊應力，海蜇皮開始在剪切與擠壓的作用下被破壞，此時最大等效應力為26.48 MPa。螺旋切刀繼續對海蜇皮進行切割，海蜇皮進一步被破壞，根據失效準則，將達到斷裂臨界值的大部分海蜇皮模型單元刪除，被刪除的單元連接起來使表面破碎形成刀路，此時切刀大部分進入海蜇，等效應力達到最大值41.06 MPa，見圖3(b)。隨著螺旋切刀繼續運動，海蜇皮被破壞的面積逐漸擴大，最后被完全切透成均勻絲狀，此時最大等效應力為25.13 MPa，見圖3(c)。仿真過程中能夠清晰地看到海蜇皮在切割擠壓作用下單元失效以及裂紋生成并且擴展的過程，同時可以看出海蜇皮所受最大等效應力主要出現在與刀刃接觸區域附近，并未出現較大波動，整個切割過程比較平穩。

2.4.2 切割力結果分析 海蜇皮受到切割力變化曲線如圖4所示，在0.001 s時螺旋切刀與海蜇開始接觸并產生切割力，由于螺旋切刀初始載荷較小，突然加載產生較大的沖擊，沖擊應力迅速上升，達到5.8 kN左右；隨著螺旋切刀切割深度增加，沖擊載荷逐漸下降，到0.011 s時載荷下降到3.65 kN左右；螺旋切刀繼續深入，載荷平穩增加形成穩定的切割，達到一定值后，載荷趨于穩定并呈現出一定的上下波動，在0.03 s時，切割力達到最大值15.75 kN。切割過程中，在剪切到海蜇皮大概一半位置時切割力達到最大值，繼續切割到海蜇皮完全切透，切割力又從最大值減小到零。

3 驗證實驗

3.1 材料與儀器

海蜇皮：大連某食品加工企業，海蜇去頭、采用三礬加工法[13]制備半干品；

質構儀：TMS-Pro型，配有HDP/BSK規格探頭，美國FTC公司。

3.2 剪切力的測定

由于碗狀海蜇皮本身組織不均勻性和厚度差異，并且經過處理后的海蜇皮其硬度和韌性會增強，為了得到海蜇剪切試驗中最大剪切力數據，在海蜇皮上根據半徑平行劃分外環、中環和內環并在各自區域內選取較大厚度樣本，用直尺和小刀取樣，樣塊規格為15 mm×10 mm的長方形，將在10張海蜇皮上取的樣塊展開分組并進行剪切試驗。

圖3 海蜇皮切絲過程應力圖

圖4 切割力變化曲線

如圖5所示，海蜇皮不同區域的樣塊切斷所需剪切力的大小不同，最大值F1為90.92 N(9 274 g)，根據測量企業實際切割后成形的海蜇絲長度大約為1 650 mm，則海蜇皮的總剪切力F約為：

與圖4仿真曲線對比可以看出，切割力的仿真結果比試驗值偏大，且仿真曲線具有一定的波動，這是由于海蜇皮模型單元受到破壞，接下來的時間步里刀具受到的單元被破壞之前的力會突然消失，導致載荷發生波動。海蜇動態切割仿真過程平穩性與試驗剪切過程相比以及仿真得到的切割力與試驗吻合較好。

圖5 海蜇皮剪切受力柱狀圖

4 結論

依據碗狀海蜇切絲設備的性能要求，設計出一種由伺服電缸驅動的新型碗狀海蜇螺旋切割系統，應用SolidWorks建立了螺旋切割系統三維實體模型，對海蜇皮切絲過程進行仿真，仿真結果與試驗相符。但研究中為簡化運算和模型，忽略了海蜇皮厚度不均勻性的影響，在后期的研究中可繼續優化模型以使仿真結果更接近于實際狀況。