基于ANSYS的基質草籽毯成型機擠出口優化與試驗

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，劉子暉，孫嘉憶，晁浚淇，董譯隆，劉鑫朕

基于ANSYS的基質草籽毯成型機擠出口優化與試驗

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，劉子暉，孫嘉憶，晁浚淇，董譯隆，劉鑫朕

（沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866）

基質草籽毯成型機以農業廢棄物秸稈和牲畜糞便為主要原料，制作綠化用草坪，可以實現連續不間斷成型生產。針對現有成型機擠出口質量較大，造成材料消耗多和螺栓連接負擔重的現象，以擠出口縮頸處長度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑為研究對象，運用ANSYS Workbench19.2有限元軟件在靜態特性分析和參數化建模基礎上，基于多目標優化的響應面方法對擠出口模型進行優化，得到尺寸參數最優值：縮頸處長度180 mm、縮頸處寬度60 mm、料板厚度3.5 mm、螺栓孔直徑11 mm，此時擠出口部件最大變形和最大等效應力較優化前分別減小了35.95%和13.8%；為了進一步優化擠出口尺寸，利用拓撲優化使零件總質量減輕了36.60%。采用EDEM軟件對參數優化和拓撲優化進行驗證，得到成型顆粒密度和擠出顆粒質量分別為1 383.2 kg/m3和2 709g。利用優化結果制作樣機，與優化前成型裝置進行對比試驗結果表明：成型顆粒密度和擠出顆粒質量與優化前相比分別提升5.84%和2.88%，進一步發芽和烘干試驗表明，優化效果達到預期目標，可為相關設備的研發和生產提供理論參考。

秸稈；基質；農業有機廢棄物；擠壓成型裝置；擠出口；優化設計

0 引 言

傳統草坪生產一般在土壤上直接進行建植，這種方式不僅占用大量耕地，且長期生產使土壤耕作層受破壞[1-3]，隨著無土草坪的不斷發展，無土草坪所用的基質不斷更新，已由城市、工業廢棄物逐漸轉為農業廢棄物[4-7]，在實際中多數采用農業廢棄物如：水稻秸稈、玉米秸稈、牲畜糞便、家畜殘骸和羽毛等，中國作為農業大國，秸稈資源每年產量可達8.65億t，所以對其資源化利用的研究有著重要意義[8-9]，本文研究的基質主要原料為玉米秸稈，以農業廢棄物秸稈為原料，有利于促進秸稈“五料化”利用。

擠壓成型機主要應用于食品和生物質行業，按成型原理分為螺旋擠壓成型機和活塞式擠壓成型機。螺旋擠壓成型技術是目前使用最廣泛的成型技術，其優點是運行相對穩定、操作簡單、成品密度高，缺點是：擠壓螺桿作為關鍵部件易損壞，使用壽命短[10]。活塞式擠壓成型機按活塞驅動力的不同，可將該類成型機的分為機械驅動活塞式沖壓成型機和液壓驅動活塞式沖壓成型機，優點是成型密度大，對擠壓物料含水率和粒度要求低，缺點是活塞做往復運動，屬于間斷壓縮，因而生產效率低，且產品質量不一致[11-12]。作為擠壓成型機的關鍵部件，擠出口隨著不同的應用場合形狀在不斷的更新和改變，在對秸稈燃料和秸稈煤擠壓成型時采用圓形出口，目的為了使物料在成型時受力均勻[13-14]，除圓形擠出口以外，常見的板料擠壓成型機采用矩形和中空形狀擠出口[15-16]，采用這種擠出口擠壓成型使得出口處受力不均導致成型效果變差，在尺寸設計時需要對成型處進行強度、變形等力學分析。優化設計方面，焦冬梅等[17-18]對電線包覆機的圓形擠出口和膠料擠壓機的楔形擠出口的擠壓長度、壓縮角、擠出寬度、厚度、仰角等參數進行優化，通過優化得到最終尺寸，其結果達到使用要求。隨著現代制造產業不斷向著高強度、高精度、輕量化、小型化發展，對零部件的要求也越來越高[19-20]。本文使用的基質是以玉米秸稈作為主要成分，添加牛糞、聚丙烯酸鈉、硫酸亞鐵等輔料研磨后并殺蟲、殺菌作為草籽毯基質[21]，這種基質在擠壓成型后具有一定抗破壞強度，吸水性能好，膨脹率低等優點[22-23]。目前，將玉米秸稈和牲畜糞便發酵腐熟用作基質原料，擠壓成綠化草坪用途的基質草籽毯研究較少。基于此，本文對整體機器的關鍵部件之一擠出口進行參數和拓撲優化，以改善設計初期結構和尺寸參數比較保守，工作過程中造成材料浪費和制造成本增加的問題，使零部件在滿足生產使用條件的基礎上達到輕量化、精密化的效果。

1 整機結構設計及模型參數化

1.1 整機結構及工作原理

基質草籽毯擠壓成型裝置整體設計主要包括電機、傳動裝置、臺鋸軸承座、入料口、送料裝置、擠出口和接料板，基質草籽毯擠壓成型機結構簡圖，如圖1所示。工作原理為：先配備預混料和預混液，將收獲后自然風干的玉米秸稈進行粉碎，混合牛糞采用有氧發酵的方式腐熟，當原料發黑可手握成型后作為預混料備用，按預混料質量比1∶0.8的比例加入預混液，預混液溶劑采用自來水，其配比如表1所示，并加入一定比例殺蟲劑和殺菌劑[21]，攪拌均勻得到基質草籽毯原料，根據混合后基質的質量，每20 kg基質添加65～75 g草籽，將加入草籽后的基質從入料口處喂入至螺旋送料裝置中，通過電機帶動鏈傳動使得螺旋軸轉動，從而將基質輸送至擠出口處進行擠壓，成型后由接料板承接。該機主要結構參數及技術參數如表2所示。

1.機架 2.電機 3.防塵蓋 4.大鏈輪 5.鏈條 6.小鏈輪 7.臺鋸軸承座 8.入料口 9.圓柱外桶 10.擠出口 11.接料板

表1 預混液配比

關鍵部件擠出口斜面部分采用鈑金折彎方式加工，板料厚度為3 mm，擠出口整體采用焊接的連接方式，焊接厚度為5 mm，焊接方式為沿焊縫全周焊接，需要焊接的地方為2處，設計時主要根據所需成型草籽毯的寬度150 mm和厚度10 mm進行設計，采用SolidWorks軟件得到設計模型圖，擠出口整體由外桶連接處到出口處呈現逐漸收縮形式。

表2 基質草籽毯成型機結構參數及技術參數

1.2 擠出顆粒受力分析

由于物料擠出口成型位置的尺寸較小，隨著螺旋的不斷輸送使得物料至擠出口處時形成物料堆積，此時顆粒和物料間相互作用力較大，在擠出過程中顆粒與擠出口板的受力分析如圖2所示，根據受力分析判斷顆粒與板料間的影響。基質顆粒在軸向合力為

基質顆粒在徑向合力F為

注：M為基質顆粒；Fa，F1，F2分別為顆粒所受軸向合力與分力，N；Fb為料板對顆粒的反作用力，N；Ff為顆粒與料板間的摩擦力，N；G為顆粒重力，N；α為板料傾斜角，(°)；β為顆粒阻力F1和摩擦力Ff的夾角，其與α大小相等，互為內錯角，(°)；θ為摩擦力Ff與x軸夾角，(°)；ε為軸向合力與x軸夾角，(°)；γ為軸向合力與y軸夾角，(°)。

由式（1）和（2）可知，顆粒在擠出時軸向合力F和徑向合力F主要與摩擦力F和反作用力F有關，反作用力F是料板對基質顆粒的支撐，會受到螺旋轉速的影響，螺旋轉速減小輸送的顆粒量減少，顆粒對料板的作用力減小，進而料板對顆粒的反作用力同樣減小；若螺旋轉速為固定值，摩擦力F對軸向合力F有很大影響，摩擦力F會較為直接的影響顆粒和板料間的受力，根據板料的傾斜程度發生變化，傾斜角與角相等，所以隨著角度越小，摩擦力越大，基質顆粒所受的徑向合力F會減小，但若角過小會造成角增大，軸向合力F增大，影響基質物料擠出成型速度，易造成顆粒堵塞，導致阻力1和板料間相互作用力2增大，反之傾斜角越大角也隨之增大，摩擦力越小，基質顆粒所受的徑向合力F會有所增大，傾斜角過大顆粒在擠出口處空間較大，較為松散不易成型，且會增加擠出口處的磨損，減少使用壽命，所以在設計板料尺寸時需要多方考慮，最主要的是傾斜角度方面，能夠影響傾斜角的主要是縮頸處的長度和寬度，在后面需要基于不同情況進行優化設計。

1.3 擠出口優化及模型參數選取

為了優化基質草籽毯成型機的性能，本文使用ANSYS-Workbench 軟件進行優化設計[24-25]。首先通過ANSYS靜力學分析發現擠出口主要受力位置，然后通過改變尺寸對擠出口處的薄弱位置進行響應面優化設計，通過ANSYS中Response Surface Optimization模塊進行優化，最終獲得新擠出口零件。

根據設計要求，在SolidWorks中對模型進行參數化，在改變零件尺寸的同時，保證零件各方面的性能滿足使用要求，經過分析得出受力最大的位置發生在斜面處，但是，在約束位置螺栓孔的尺寸對其也有較大影響，所以選擇縮頸處長度、縮頸處寬度、板料厚度和螺栓孔直徑進行參數化定義，如圖3所示，在SolidWorks中，通過全局變量參數化方程式窗口。

圖3 尺寸參數對應位置

2 有限元分析

2.1 有限元模型

將建立好的幾何模型導入至ANSYS Workbench中的Static Structural靜力分析模塊中，將材料設置為Q235，材料主要參數如表3所示[26]。有限元分析過程中劃分網格是重要的部分，對于關鍵部件其網格的尺寸應盡可能精準，盡可能小一些，但是若網格太精細會增大分析的難度，所以在網格劃分的過程中使用現代化智能技術嚴格的相關標準來進行，在保證計算精度的同時保證工作效率，將單元格尺寸設置為5 mm，網格劃分完成后共計72 659個單元，140 030個節點。

表3 材料主要參數

2.2 受力分析

由基質顆粒的受力分析結果可知，擠出口的受力主要來源為擠出時的推力和摩擦力，基質物料與擠出口所受的摩擦阻力F通過公式計算為

式中，為填充基質深度，為填充基質寬度，主要代表的是土壤和螺旋葉片橫截面之間的阻力系數，是一個由綜合性因素構成的比阻系數，的取值如表 4[27]。

表4 不同類型土壤阻力系數

本文使用的基質類型與一般土壤相似，所以取為4 N/cm2，為基質在圓柱外桶的高度，=400 mm，寬度=200 mm，通過式（3）可得F=3.2 kN，根據受力分析結果和斜面傾斜程度將摩擦力進行分配，其中正面包括上下兩個斜面，受到的摩擦力較大，由角分析計算為707 N，而側面包括左右兩個斜面，受到的摩擦力較小，經過計算為502 N。根據文獻[15]，螺旋輸送分析可知顆粒所受到擠壓力為8 kN，擠出口的約束在螺栓孔的位置，其他位置不作為本次優化的主要部分，所以不考慮，按照受力分析和計算的結果對模型進行載荷和約束的施加。對擠出口進行總變形和最大等效應力求解（圖4），由計算結果得到最大變形為0.845 mm，最大等效應力為191.25 MPa。

圖4 擠出口靜力學分析結果

3 響應面分析優化設計及拓撲優化

3.1 響應面分析優化法

通過ANSYS Workbench的Response Surface Optimization模塊可以對參數進行響應面分析，采用多目標優化的方法進行求解，對狀態參數、目標參數和約束條件進行定義，定義完成后在運算模塊得到最優解[28]。根據需要成型草籽毯的尺寸對擠出口進行設計，對于參數范圍的選擇主要考慮受力和加工兩方面因素，縮頸處長度和寬度所取的最大值分別為220 mm和75 mm，超過此參數后傾斜角度趨近直角，會導致出口受力不均，且傾斜角度過小使得焊接和折彎加工困難，設置縮頸處長度為180～220 mm、縮頸處寬度60～75 mm；料板厚度的參數范圍設置主要參考靜力學分析結果，靜力學分析時的參數均為中間值，得到分析結果受到的最大總變形和等效應力較大，考慮到其他參數的改變會使料板受力減小，且厚度減小會減輕頭部質量，減輕圓柱外桶支撐力，又考慮到料板過厚會影響加工且造成材料的浪費，所以對料板厚度的整體取值范圍幅度較小，料板厚度取值為2.7～3.3 mm；螺栓孔直徑的參數范圍設置主要考慮的因素是螺栓孔與料板邊緣的距離，螺栓孔直徑大于11 mm其邊緣與孔的間距僅有5 mm，考慮到四角的受力情況，螺栓孔直徑取值為9～11 mm。

根據Design-Expert軟件中Central Composite Design設計原理，對基質草籽毯成型機擠出口優化參數進行四元二次正交旋轉組合試驗設計，結合響應面分析的方法，探究草籽毯成型機擠出口尺寸的最優參數，試驗因素編碼如表5所示。

表5 試驗因素水平編碼表

將參數設置完成后，數據分析類型選擇中心復合設計（Central Composite Design），生成設計點為25組，集合數學模型設定約束條件進行計算，結果如表6所示。利用Design-Expert13軟件進行縮頸處長度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑對最大變形和最大等效應力影響的回歸性分析，回歸方程方差分析結果如表7所示。由回歸方程方差分析結果知，模型的值均小于0.000 1，表明自變量與因變量間相關性良好，模型可較好預測2個試驗指標，模型精度較高。

3.2 響應面分析優化結果

為了更加直觀的分析優化結果，采用響應面法分析設計因素與最大變形和最大等效應力的較顯著的響應面。

表7 最大變形和最大等效應力方差分析

注：<0.05為顯著，<0.01為極顯著，≥0.05為不顯著。 Note:<0.05 means significant,<0.01 means highly significant,≥0.05 means no significant。

圖5所示為縮頸處長度和縮頸處寬度對最大變形的響應面結果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當縮頸處寬度一定時，隨著縮頸處長度增大最大變形呈現先增大后緩慢減小的趨勢，原因是當縮頸處長度增大時擠出口的內部空間會逐漸增大，縮頸處長度過大會使得斜面過長，受力分布面積增加變形量有所減少；在縮頸處長度一定時，最大變形隨著縮頸處寬度的增大呈現先緩慢增大后減小的趨勢，原因是縮頸處寬度的尺寸變化會影響擠出口的斜面角度，縮頸處寬度過大時傾斜角度逐漸增加，導致受力位置逐漸向前偏移，且所受摩擦力逐漸減小，變形量減小。縮頸處長度為180～190 mm，縮頸處寬度為70～75 mm之間時，變形量最小。

圖6a所示為縮頸處長度和縮頸處寬度對最大等效應力的響應面結果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當縮頸處寬度一定時，隨著縮頸處長度增大應力變化呈現先增大后減小的趨勢，原因是當縮頸處長度增大時擠出口斜面板受力面逐漸增大，使得總應力受力有所增加；在縮頸處長度一定時，應力變化隨著縮頸處寬度的增大呈現先增大在減小最后增大的趨勢，原因是縮頸處寬度的尺寸變化會影響斜面板的傾斜角度，隨著縮頸寬度的增加，斜面傾斜角度增加，作用于板料的力逐漸增加，寬度過大會造成縮頸處應力增加。縮頸處長度為180～190 mm，縮頸處寬度為60～62、66～68 mm之間時，所受應力最小。圖 6b所示為縮頸處長度和螺栓孔直徑對最大等效應力的響應面結果，分析可知在料板厚度為3 mm（0水平），縮頸處寬度為62 mm（0水平）的條件下，當縮頸處長度一定時，隨著螺栓孔直徑應力變化呈現先減小后增大的趨勢，原因是螺栓孔為固定用孔，當螺栓孔增大時使得約束面增大，從而使得固定更加穩定，但螺栓孔過大時會造成固定面受力不均孔距減小使得受力增大，從而使得應力增大。縮頸處長度為180～190 mm，螺栓孔直徑為10～11 mm之間時，所受應力最小。圖6c所示為縮頸處寬度和板料厚度對最大等效應力的響應面結果，分析可知在料板厚度為200 mm（0水平），螺栓孔直徑為10 mm（0水平）的條件下，當縮頸處寬度一定時，隨著料板厚度增大應力呈現逐漸減小的趨勢，原因是當料板厚度增加，剛度和抵抗變形的能力增強，使得應力逐漸減小，但是厚度過大將導致整體重量的增加。縮頸處寬度為60～62 mm，料板厚度為3.1～3.3 mm之間時，所受應力最小。

圖5 因素交互作用對最大總變形的影響

圖6 因素交互作用對最大等效應力的影響

通過Optimization界面設置仿真方法為篩選（Screening），通過系統分析在Candidate Point中生成3組最優結果，如表8所示，由表可知3組結果的差異并不大，但在選擇時主要考慮實際工作過程中容易對擠出口造成影響的因素，考慮到變形的影響會造成板料的磨損，對后期的使用過程造成一定影響，且通過對比發現3組數據中最大變形的變化較大，最大等效應力的變化較小，所以選擇第一組最優組合數據作為試驗分析后的最優結果[29]。

表8 優化結果

考慮材料實際使用規范和加工工藝，對優化的尺寸進行取整，料板厚度參數優化后圓整為3.3 mm，但考慮實際情況3.3 mm板料需二次加工才能獲得，所以對料板厚度取整為3.5 mm，修改尺寸后重新進行靜力學分析，對比如表9所示。由結果可知，優化后的尺寸參數對最大變形和最大等效應力有明顯的減小。

3.3 拓撲優化分析結果

由分析結果可知，該零件部分結構存在較大的優化空間，將零件模型導入ANSYS Workbench中采用變密度法數學模型的Topology Optimization（拓撲優化）模塊，在滿足零件實際工況要求的基礎上，利用拓撲優化的方法對結構形狀進行簡化，以減輕零件整體質量[30-31]。

將擠出口模型導入到Workbench中的Topology Optimization模塊，將Q235材料的屬性進行設置，采用四面體網格對模型進行網格劃分，將網格尺寸大小控制為5 mm，以保證拓撲優化結果的準確性。在Shape Optimization模塊中設置和靜力學分析相同的材料屬性、載荷與約束條件，優化目標：允許最大變形量和最大等效應力變化小于5%，擠出口減輕質量比大于25%。擠出口拓撲優化結果如圖8所示。圖中設置的拓撲優化區域分別是可去除部分包括法蘭板和成型平面，保留部分為基質擠出口斜面位置，過渡部分為去除、保留部分的連接處；對拓撲優化結果進行分析，材料大部分去除的位置為擠出口前端的成型平面處，考慮到零件裝配的可實施性、加工零件工藝性及應力分布問題等情況，不能將所有紅色區域全部去除，根據拓撲優化的結果，同時保證擠出口的功能性與零件加工技術要求，去除部分形狀修整后進行模型重建。為了更好的驗證拓撲優化結果，對擠出口有限元對比分析。

表9 優化結果對比

圖8 拓撲優化分析云圖

通過對比分析拓撲優化前后的數據可知，與優化前相比，擠出口的最大變形量增加了0.011 mm，占優化前最大變形的2.01%；最大等效應力增加了2.5 MPa，占優化前最大等效應力的1.49%；質量降低了1.913 kg，占優化前質量（6.694 kg）的36.60% 。所得結果均滿足允許最大變形量和最大等效應力變化小于5%，擠出口減輕質量比大于 25%的優化目標。

4 EDEM仿真分析

為了對ANSYS尺寸參數優化設計結果和拓撲優化結果進行驗證，驗證在優化設計尺寸和去除材料后擠出口零件模型是否能夠滿足基質草籽毯成型機擠壓工作要求，采用EDEM軟件進行基質草籽毯擠壓成型仿真驗證試驗[32]，以成型后的顆粒所受擠壓力和顆粒孔隙度為評價指標，檢驗優化后基質草籽毯成型機擠出口零件及整體機器的合理性，判斷成型后草籽毯是否能夠達到使用要求。

4.1 擠壓裝置及基質顆粒模型仿真模型構建

4.1.1 建立模型及仿真分析

經過基質物料的實際測量和參考文獻對基質參數的標定[33]，選用半徑為2 mm，接觸半徑為2.5 mm的雙球形顆粒來構建基質中的營養土顆粒，并設置接觸半徑為3 mm，仿真參數的設定以基質混合后的實際參數為依據，具體如下：基質物料泊松比0.43，剪切模量1.08×108Pa，密度1 620 kg/m3；擠壓裝置中零件所用的主要材料為鋼，鋼泊松比0.28，剪切模量2.06×1011Pa，密度7 850 kg/m3，基質物料仿真顆粒采用HertzMindlin with JKR接觸模型。為保證仿真的準確進行，還需設置基質顆粒和鋼之間的接觸參數[34]，確定仿真模型接觸參數如表10所示。

表10 仿真模型接觸參數

利用SolidWorks軟件對擠壓裝置進行三維建模，為提高仿真計算效率對模型進行簡化處理，將不影響作業效果的零件去除，導入EDEM軟件中，建立基質物料顆粒模型，仿真時間設置為30 s，根據文獻得到基質草籽毯成型機螺旋轉速為250 r/min[11]，其中0～10 s時間進行物料填充，10 ～20 s時間對物料進行擠壓成型，仿真過程如圖9所示，圖9a為時間12 s時部分顆粒的線性流動過程，可以發現顆粒在擠出口處形成聚集，圖9b為工作30 s時顆粒成型情況，此時顆粒已經擠壓完成。通過仿真分析過程和結果可以發現，由優化后參數建立的模型得到成型草籽毯，為驗證草籽毯成型質量的優劣需對優化后的模型進一步分析。

4.1.2 試驗指標

為評價顆粒成型效果，使用EDEM軟件后處理Setup Selections中Bulk Density Sensor功能，對擠出口處成型草籽毯進行密度監測，對擠出口處的顆粒密度進行數據提取，得到擠出成型顆粒密度的結果。試驗結果的根據參考綠化基質磚的密度1 400 kg/m3進行對比[35]。

為評價擠出顆粒質量，通過EDEM軟件后處理Setup Selections中Grid Bin Group功能，對擠出口處進行網格劃分，網格記錄所有流經擠出口的顆粒質量變化，對流經擠出口處的顆粒質量進行數據提取，得到擠出顆粒質量的結果。

圖9 EDEM顆粒仿真過程

4.2 結果與分析

采用EDEM軟件進行仿真試驗，進行5組試驗得到試驗結果如表11所示，通過試驗得到成型基質草籽毯的密度和擠出顆粒質量平均值1 383.2 kg/m3和2 709g，根據結果可知成型后密度不僅滿足使用要求而且具有一定的密度，適合種子生長，且通過優化后的擠出口擠出的質量同樣滿足使用要求，不影響生產效率并實現了輕量化。

表11 仿真試驗結果

5 驗證試驗

根據優化結果進行樣機制作，圖10為試驗樣機，試驗于2022年10月在沈陽農業大學綜合實訓中心進行，玉米秸稈收獲后自然風干，用粉碎機粉碎，獲得秸稈絲條，其長度為5～20 mm，混合牛糞后進行腐熟處理，室外平均氣溫24 ℃，遮蓋聚黑色PE塑料布保濕，用溫度計監測內部溫度，達到60 ℃以上時翻垛，20 d后待物料發黑可手握成型時作為預混料備用[30]。參考表1配備預混液，其中聚酰胺環氧氯丙烷是造紙用濕強劑，聚丙烯酸鈉是面粉添加劑，能夠提高基質磚濕潤狀態的粘結強度，保證吸水不變形不松散，其他為微量元素，都為環境友好型添加劑，對生態環境無影響。設定基質草籽毯成型機的螺旋轉速為250 r/min，與仿真試驗參數設定相匹配。

1.擠出口 2.圓柱外桶 3.機架 4.入料口 5.臺鋸軸承座 6.電機 7.防塵蓋

由基質草籽毯擠壓裝置得到成型草籽毯，如圖11a所示，將其置于室外初期每天澆水一次，7 d后種子發芽，澆水間隔時間適當延長。當草籽毯表面變干發白時澆水，受氣溫、雨水等因素影響，約3～7 d不定期澆水一次，在45 d中基質草籽毯長勢變化如圖11b所示。

圖11 基質草籽毯成型及培育過程

仿真過程中為縮短仿真時間提高效率，在仿真時設置顆粒體積大于實際尺寸2.5倍，經密度公式計算得出實測質量值應該小于仿真值2.5倍，以仿真結果最優參數組合進行實際試驗得到的實測值，由此得出測量結果。與仿真試驗相同的時間30 s內，成型后密度為1 483.4 kg/m3，擠出基質質量的平均值為2 634.8 g，與優化結果的誤差分別為6.7%和2.7%，結果數據表明，經仿真得到的參數組合和優化結果與實際相差無幾，仿真結果可靠性高。

通過試驗可知，優化結果和仿真結果真實可靠，能夠滿足基質草籽毯使用要求。基質草籽毯驗證試驗完成后，對基質草籽毯成型機擠出口優化前后進行對比試驗，同樣以成型顆粒密度和擠出顆粒質量作為試驗指標，在其他因素不變的情況下重復5次試驗取平均值，得到優化前后的對比結果，優化后的成型顆粒密度和擠出顆粒質量與優化前相比都有明顯提升，分別提升了5.84%和2.88%，說明優化后的擠出口不僅能夠在一定程度上提高成型機工作效率，而且隨著基質草籽毯顆粒間密度的增加，還能夠提高草毯成型的質量，說明優化后的擠出口在實際工作中具有一定的提升作用。

對基質草籽毯進行烘干操作，目的是查看烘干后的草籽毯是否會發生局部破損、斷裂等現象，其作用體現在后期搬運和運輸中，若草籽毯整體不碎、不斷或只在邊緣處發生破損，說明成型后的草籽毯具有一定的抗破壞強度，且在以后運輸和鋪設時更加方便。烘干采用型號為101 型電熱鼓風干燥箱，烘干溫度為55 ℃，烘干時間為8 h，得到烘干后草籽毯。

由烘干試驗結果可知，干燥后的草籽毯可直接搬運，且整體并無大面積損壞和變形，分析可知基質草籽毯的物料中主要含有秸稈和牛糞，秸稈纖維具有一定粘結性，牛糞中腸道分泌物、腸道粘膜脫落物和纖維結構也具有良好的粘結性和纏繞性，二者均勻混合后，具有一定的強度，為運輸和鋪設提供了保障。

6 結 論

1）對基質草籽毯成型機擠出口的尺寸參數進行理論分析和設計，確定了影響最大變形和最大等效應力的主要因素有縮頸處長度、縮頸處寬度、料板厚度和螺栓孔直徑。采用ANSYS Workbench軟件對其進行了靜力學分析，得到擠出口在極限載荷下的最大變形和最大等效應力圖，采用響應面分析方法對尺寸參數進行優化設計，在得到的25組數據中，選擇最優設計參數，得到最優參數組合為：縮頸處長度180 mm、縮頸處寬度60 mm、料板厚度3.5 mm、螺栓孔直徑11 mm，在該參數下最大變形為0.54 mm，最大等效應力為164.85 MPa。利用Shape Optimization模塊對擠出口進行了拓撲優化分析，在不影響零件工況要求情況下，實現輕量化設計，零件總重減輕了36.60%。

2）為驗證優化后結果的可靠性，采用EDEM離散元軟件對基質草籽毯成型機的成型顆粒密度和擠出顆粒質量進行驗證，確保優化后關鍵部件擠出口的可靠性，由試驗得到結果成型顆粒密度為1 383.2 kg/m3，擠出顆粒質量為2 709 g，可以達到使用要求。為保證仿真試驗結果準確，試制試驗樣機，通過驗證試驗得到成型后基質草籽毯的實測值與仿真試驗結果誤差分別為6.7%和2.7%，且進行了發芽特性試驗和烘干試驗，得到結果基質草籽毯發芽效果和長勢效果良好，烘干后可以進行碼垛和搬運，成型效果良好，滿足基質草籽毯成型機生產使用要求。

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Optimization and experiment of the extrusion outlet of molding machine for substrate grass seed blanket using ANSYS

LIU Dejun, LIU Tianqi, LI Yuge, LIU Zihui, SUN Jiayi, CHAO Junqi, DONG Yilong, LIU Xinzhen

(,,110866,)

A molding machine of substrate grass seed blanket can take agricultural waste straw and livestock manure as the raw material, in order to fabricate the grass seed blanket after hand-holding and molding, particularly for the green lawn. Among them, aerobic fermentation can be also adopted to add the premixing liquid for complete decomposition. The continuous uninterrupted molding can be realized after drying below 60℃, transportation, and laying. The substrate grass seed blanket can be laid directly or half-buried in the ground for the urban, park, and residential greening. However, the existing molding machine cannot fully meet the large-scale production in the design of the initial size parameters. The weight of the larger support burden can tend to cause the uneven force of substrate at the extrusion outlet during extrusion molding. This study aims to reduce the component force deformation for better molding stability. Structural optimization was implemented with the extrusion outlet at the neck length, neck width, material plate thickness, and bolt hole diameter as the object using ANSYS Workbench 19.2. The maximum deformation was 0.85 mm, and the maximum equivalent force was 191.25 MPa, using parametric modeling. The response surface method (RSM) with multi-objective optimization was used to optimize the design of the squeeze outlet model. The maximum deformation was 0.54 mm, and the maximum equivalent force was 164.85 MPa. The topological optimization of the extrusion port was carried out to remove the unnecessary material dimensions without affecting the static analysis. The total weight of the part was reduced by 36.60%. EDEM software was used to verify the optimized extruded parts as a whole machine. The grass seed blanket molding was analyzed by the discrete element method with a simulation time of 30 s. Furthermore, the data extraction of the test indicators was performed by the post-processing module. The simulation was performed with the molding particle density and extruded particle quality as the indicators, which were 1 383.2 kg·m-3and 2 685 g, respectively. The test prototype was made to conduct the germination and drying validation tests. The measured density and mass of the formed substrate grass seed blanket were obtained with an error of 6.7% and 2.7%, respectively, compared with the simulation. The validation test was compared with the test before optimization. The density of the formed particles and the mass of the extruded particles were significantly improved by 5.84% and 2.88%, respectively, before optimization. Consequently, the optimized extrusion outlet can be expected to improve the working efficiency of the forming machine. The formed grass blanket was enhanced with the increase of density between the particles of the substrate grass seed blanket. The quality of the blanket can also fully meet the requirements of the production use in the forming machine of substrate grass seed blanket.

straw; substrate; agricultural organic waste; extrusion molding device; extrusion outlet; optimized design

2022-12-01

2023-04-07

國家自然科學基金項目（32171900）

劉德軍，教授，碩士生導師，研究方向為農作物秸稈高值化利用技術與智能裝備。Email：ldjldj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202212001

S233.74

A

1002-6819(2023)-08-0076-10

劉德軍，劉天奇，李宇鴿，等. 基于ANSYS的基質草籽毯成型機擠出口優化與試驗[J]. 農業工程學報，2023，39(8)：76-85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212001 http://www.tcsae.org

LIU Dejun, LIU Tianqi, LI Yuge, et al. Optimization and experiment of the extrusion outlet of molding machine for substrate grass seed blanket using ANSYS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(8): 76-85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2023.202212001 http://www.tcsae.org