家用烹饪设备搅拌头性能分析

林国汉 王小龙 李亚明

摘要：目前的烹饪劳动大多数由人工完成，耗时耗力。随着机器人技术的发展，人们生活水平的提高，自动烹饪技术的应用越来越迫切。其中搅拌头的设计关乎烹饪的烹饪效果，既要菜肴分散均匀受热，又不能造成物料飞溅。以某家用烹饪设备的搅拌头设计为例，基于多体动力学软件，分析对比不同搅拌头的性能，为家用烹饪设备的进一步研究提供依据。

关键词：家用烹饪设备;搅拌头;多体动力学;性能分析

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.056

现代社会生活节奏快，工作压力大，这种节奏使得人们没有时间去准备中餐、晚餐，因此人们越来越迫切期待智能厨房自动烹饪系统的出现[1]。根据中式菜肴烹饪的特点，搅拌头的设计关乎菜肴的品质[2]。在研发前期，必须评估搅拌头的性能。本文基于多体动力学软件，通过颗粒流来模拟菜肴，仿真搅拌头的搅拌效果，从粒子的运动轨迹来分析搅拌头的性能。

1 颗粒流的离散元法模拟

颗粒流指的是颗粒物质在外力作用和内部应力状况变化时发生的类似于流体的运动状态[3]。随着计算机技术的发展，数值模拟方法在颗粒流的研究和应用方面发挥了巨大的作用[4]。常用的数值模拟方法为连续介质模型和非连续介质模型。非连续介质模型中，最常用的是离散元法。

离散元法中颗粒的运动学计算原理大同小异。以Thomton的GRANULE离散元程序为例，在时间步△t，球颗粒的线运动和转动由以下方程求得：

由各球的新位置坐标可决定相邻颗粒是否接触或原接触点是否脱离[5]。相互接触的球会产生假性重叠α，再由接触模型公式分别求出接触力Fi和Mi返归式（l）迭代。

2 搅拌头多体模型

利用三维建模软件创建搅拌头的三维装配模型，如图1所示。检查搅拌头和锅的装配关系，确认模型正确后保存模型[6]。将模型导人多体动力学软件中，设置颗粒模拟菜肴，如图2所示。

提交求解后，得到搅拌头和颗粒流的运动动画。图3、图4为搅拌头某一时刻的状态。选取几个颗粒并提取其运动轨迹，如图5、图6所示。

由仿真出来的结果看出，设计出来的搅拌头无法将颗粒很好分开，这样会导致受热不均匀，调料和菜无法很好混合，影响菜肴的口感。

3 攪拌头方案设计

针对上述搅拌头出现的缺陷，重新设计搅拌头方案。现设计了如图7-图10所示的4种搅拌头方案，并进行仿真计算。

提交求解后得到运动轨迹如图II -图14所示。由仿真结果分析搅拌头性能，图11方案1中搅拌头数量太少，搅拌不充分。图12方案2中颗粒无法翻滚，容易聚结成块。图13方案3中锅外围的颗粒无法走到锅中心。图14方案4中颗粒搅拌充分。

4 结论

本文结合多体动力学软件对某家用烹饪设备搅拌头进行了性能分析，通过方案对比，最后确定了搅拌头方案。将仿真分析与搅拌头设计相结合，对于处理实际问题有着十分重要的意义，是一种值得推广的设计方法。

和传统设计方法相比，该方法有以下特点：①产品研发周期短。减小缺陷产品出现的概率，指导产品设计方向。②更好地改善搅拌头性能。通过仿真分析，可以对更多的方案进行验证，从而找出最优的方案。③更低的成本。减少样品打样，只需对一两种优化方案进行实验验证，减少成本。

针对搅拌头的设计，既要将整个搅拌物覆盖，又不能让搅拌物结成一块，受热不均匀。本文中案例1的缺点在于没有将整个搅拌物覆盖，案例2和3中有了足够的搅拌头，但是物块容易结成一块，案例4中各搅拌头之间留有足够的空隙，搅拌物可以有更多的活动空间，受热会更均匀。

参考文献：

[l]冯黔军，徐茂青.吸油烟机性能指标及关键技术分析[J1家电科技，2012（ 12）：44-46.

[2]史诺，李雅茹，乔丽洁.利用空气幕提高抽油烟机抽吸效率[J].轻工机械，2011，29 （6）： 95-97.

[3]何华，陈兴强，刘春景.基于颗粒流理论的敞车静侧压力研究[J].华东交通大学学报，2018，35（5）：17-21.

[4]张翀，舒赣平.筒仓卸料的颗粒流模拟及仓壁侧压力研究[J].四川建筑科学研究，2016，42 （4）： 11-16.

[5]李力，吕敬科.基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究[J].矿冶工程，2017（6）：1-6.

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