家用烹飪?cè)O(shè)備攪拌頭性能分析

林國(guó)漢 王小龍 李亞明

摘要：目前的烹飪勞動(dòng)大多數(shù)由人工完成，耗時(shí)耗力。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，自動(dòng)烹飪技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越迫切。其中攪拌頭的設(shè)計(jì)關(guān)乎烹飪的烹飪效果，既要菜肴分散均勻受熱，又不能造成物料飛濺。以某家用烹飪?cè)O(shè)備的攪拌頭設(shè)計(jì)為例，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件，分析對(duì)比不同攪拌頭的性能，為家用烹飪?cè)O(shè)備的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：家用烹飪?cè)O(shè)備;攪拌頭;多體動(dòng)力學(xué);性能分析

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.056

現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏快，工作壓力大，這種節(jié)奏使得人們沒(méi)有時(shí)間去準(zhǔn)備中餐、晚餐，因此人們?cè)絹?lái)越迫切期待智能廚房自動(dòng)烹飪系統(tǒng)的出現(xiàn)[1]。根據(jù)中式菜肴烹飪的特點(diǎn)，攪拌頭的設(shè)計(jì)關(guān)乎菜肴的品質(zhì)[2]。在研發(fā)前期，必須評(píng)估攪拌頭的性能。本文基于多體動(dòng)力學(xué)軟件，通過(guò)顆粒流來(lái)模擬菜肴，仿真攪拌頭的攪拌效果，從粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分析攪拌頭的性能。

1 顆粒流的離散元法模擬

顆粒流指的是顆粒物質(zhì)在外力作用和內(nèi)部應(yīng)力狀況變化時(shí)發(fā)生的類似于流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在顆粒流的研究和應(yīng)用方面發(fā)揮了巨大的作用[4]。常用的數(shù)值模擬方法為連續(xù)介質(zhì)模型和非連續(xù)介質(zhì)模型。非連續(xù)介質(zhì)模型中，最常用的是離散元法。

離散元法中顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算原理大同小異。以Thomton的GRANULE離散元程序?yàn)槔跁r(shí)間步△t，球顆粒的線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)由以下方程求得：

由各球的新位置坐標(biāo)可決定相鄰顆粒是否接觸或原接觸點(diǎn)是否脫離[5]。相互接觸的球會(huì)產(chǎn)生假性重疊α，再由接觸模型公式分別求出接觸力Fi和Mi返歸式（l）迭代。

2 攪拌頭多體模型

利用三維建模軟件創(chuàng)建攪拌頭的三維裝配模型，如圖1所示。檢查攪拌頭和鍋的裝配關(guān)系，確認(rèn)模型正確后保存模型[6]。將模型導(dǎo)人多體動(dòng)力學(xué)軟件中，設(shè)置顆粒模擬菜肴，如圖2所示。

提交求解后，得到攪拌頭和顆粒流的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。圖3、圖4為攪拌頭某一時(shí)刻的狀態(tài)。選取幾個(gè)顆粒并提取其運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5、圖6所示。

由仿真出來(lái)的結(jié)果看出，設(shè)計(jì)出來(lái)的攪拌頭無(wú)法將顆粒很好分開，這樣會(huì)導(dǎo)致受熱不均勻，調(diào)料和菜無(wú)法很好混合，影響菜肴的口感。

3 攪拌頭方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述攪拌頭出現(xiàn)的缺陷，重新設(shè)計(jì)攪拌頭方案?，F(xiàn)設(shè)計(jì)了如圖7-圖10所示的4種攪拌頭方案，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

提交求解后得到運(yùn)動(dòng)軌跡如圖II -圖14所示。由仿真結(jié)果分析攪拌頭性能，圖11方案1中攪拌頭數(shù)量太少，攪拌不充分。圖12方案2中顆粒無(wú)法翻滾，容易聚結(jié)成塊。圖13方案3中鍋外圍的顆粒無(wú)法走到鍋中心。圖14方案4中顆粒攪拌充分。

4 結(jié)論

本文結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某家用烹飪?cè)O(shè)備攪拌頭進(jìn)行了性能分析，通過(guò)方案對(duì)比，最后確定了攪拌頭方案。將仿真分析與攪拌頭設(shè)計(jì)相結(jié)合，對(duì)于處理實(shí)際問(wèn)題有著十分重要的意義，是一種值得推廣的設(shè)計(jì)方法。

和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，該方法有以下特點(diǎn)：①產(chǎn)品研發(fā)周期短。減小缺陷產(chǎn)品出現(xiàn)的概率，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向。②更好地改善攪拌頭性能。通過(guò)仿真分析，可以對(duì)更多的方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而找出最優(yōu)的方案。③更低的成本。減少樣品打樣，只需對(duì)一兩種優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，減少成本。

針對(duì)攪拌頭的設(shè)計(jì)，既要將整個(gè)攪拌物覆蓋，又不能讓攪拌物結(jié)成一塊，受熱不均勻。本文中案例1的缺點(diǎn)在于沒(méi)有將整個(gè)攪拌物覆蓋，案例2和3中有了足夠的攪拌頭，但是物塊容易結(jié)成一塊，案例4中各攪拌頭之間留有足夠的空隙，攪拌物可以有更多的活動(dòng)空間，受熱會(huì)更均勻。

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