林國漢 王小龍 李亞明

摘要：目前的烹飪勞動大多數(shù)由人工完成，耗時耗力。隨著機器人技術的發(fā)展，人們生活水平的提高，自動烹飪技術的應用越來越迫切。其中攪拌頭的設計關乎烹飪的烹飪效果，既要菜肴分散均勻受熱，又不能造成物料飛濺。以某家用烹飪設備的攪拌頭設計為例，基于多體動力學軟件，分析對比不同攪拌頭的性能，為家用烹飪設備的進一步研究提供依據(jù)。

關鍵詞：家用烹飪設備;攪拌頭;多體動力學;性能分析

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.056

現(xiàn)代社會生活節(jié)奏快，工作壓力大，這種節(jié)奏使得人們沒有時間去準備中餐、晚餐，因此人們越來越迫切期待智能廚房自動烹飪系統(tǒng)的出現(xiàn)[1]。根據(jù)中式菜肴烹飪的特點，攪拌頭的設計關乎菜肴的品質[2]。在研發(fā)前期，必須評估攪拌頭的性能。本文基于多體動力學軟件，通過顆粒流來模擬菜肴，仿真攪拌頭的攪拌效果，從粒子的運動軌跡來分析攪拌頭的性能。

1 顆粒流的離散元法模擬

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

離散元法中顆粒的運動學計算原理大同小異。以Thomton的GRANULE離散元程序為例，在時間步△t，球顆粒的線運動和轉動由以下方程求得：

由各球的新位置坐標可決定相鄰顆粒是否接觸或原接觸點是否脫離[5]。相互接觸的球會產(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系，確認模型正確后保存模型[6]。將模型導人多體動力學軟件中，設置顆粒模擬菜肴，如圖2所示。

提交求解后，得到攪拌頭和顆粒流的運動動畫。圖3、圖4為攪拌頭某一時刻的狀態(tài)。選取幾個顆粒并提取其運動軌跡，如圖5、圖6所示。

由仿真出來的結果看出，設計出來的攪拌頭無法將顆粒很好分開，這樣會導致受熱不均勻，調料和菜無法很好混合，影響菜肴的口感。

3 攪拌頭方案設計

針對上述攪拌頭出現(xiàn)的缺陷，重新設計攪拌頭方案?，F(xiàn)設計了如圖7-圖10所示的4種攪拌頭方案，并進行仿真計算。

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

4 結論

本文結合多體動力學軟件對某家用烹飪設備攪拌頭進行了性能分析，通過方案對比，最后確定了攪拌頭方案。將仿真分析與攪拌頭設計相結合，對于處理實際問題有著十分重要的意義，是一種值得推廣的設計方法。

和傳統(tǒng)設計方法相比，該方法有以下特點：①產(chǎn)品研發(fā)周期短。減小缺陷產(chǎn)品出現(xiàn)的概率，指導產(chǎn)品設計方向。②更好地改善攪拌頭性能。通過仿真分析，可以對更多的方案進行驗證，從而找出最優(yōu)的方案。③更低的成本。減少樣品打樣，只需對一兩種優(yōu)化方案進行實驗驗證，減少成本。

針對攪拌頭的設計，既要將整個攪拌物覆蓋，又不能讓攪拌物結成一塊，受熱不均勻。本文中案例1的缺點在于沒有將整個攪拌物覆蓋，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空間，受熱會更均勻。

參考文獻：

[l]馮黔軍，徐茂青.吸油煙機性能指標及關鍵技術分析[J1家電科技，2012（ 12）：44-46.

[2]史諾，李雅茹，喬麗潔.利用空氣幕提高抽油煙機抽吸效率[J].輕工機械，2011，29 （6）： 95-97.

[3]何華，陳興強，劉春景.基于顆粒流理論的敞車靜側壓力研究[J].華東交通大學學報，2018，35（5）：17-21.

[4]張翀，舒贛平.筒倉卸料的顆粒流模擬及倉壁側壓力研究[J].四川建筑科學研究，2016，42 （4）： 11-16.

[5]李力，呂敬科.基于顆粒流理論的深海沉積物剪切特性模擬研究[J].礦冶工程，2017（6）：1-6.

[6]李力，高賀朋.基于顆粒流理論的深海玄武巖破碎機理研究[J].海洋工程，2018，36 （5）： 74-82.