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1、本科论文目 录摘 要1Abstract2引 言31绪论41.1啤酒发酵罐的特点41.2啤酒发酵罐的设计要求41.3啤酒发酵罐的设计内容42. 生化反应器的设计52.1反应器的类型52.2设计思路53罐体的设计63.1罐体外形的设计思路63.2参数计算63.3绘制三维模型74. 搅拌器的设计104.1搅拌器外形设计思路104.2参数计算114.3绘制三维模型115. 传动装置的设计135.1传动装置设计思路135.2参数计算135.3绘制三维造型146. 轴封的设计166.1轴封的设计思路166.2参数计算166.3绘制三维模型167. 管口及仪表的设计207.1管口及仪表的设计思路207.2三
2、维模型绘制207.2.1绘制压力表和温度计207.2.2绘制通风管218人机工程方面的优化设计229. 装配设计239.1 发酵罐的装配239.1.1罐体与传动装置的装配239.1.2搅拌轴与搅拌器的装配249.1.3轴套与搅拌轴的装配259.2 检查校核各零件的配合情况259.3 完整装配模型展示269.4 材料选择及强度校核279.4.1材料选择279.4.2强度校核2810. 制作三维动画展示3010.1 制作爆炸图3010.2 三维动画设计思路3010.3 动画制作过程3110.4 海报制作过程33结 论38致 谢39参考文献40本科论文摘 要本次设计为啤酒发酵罐的三维动态展示设计。通
3、过此次设计，能够更直观的表现啤酒发酵罐的造型特点。作为啤酒生产中不可或缺的反应设备，它的作用是使得制作啤酒的原料在其内部发生化学反应，生成啤酒液体。整个发酵过程相对复杂，所以对发酵罐的设计要求也较高。本次设计内容包括：生化反应器的设计；罐体结构设计；搅拌器的设计；传动装置的设计；轴封的设计；测温口、进水、出水口等管口的结构设计；装配设计，强度计算校核；人机工程方面，将在控制温度的便利程度等方面进行设计。在此基础上设计出的发酵罐能够在增加产量、提高品质、降低成本等方面更加有优势，从而满足设计初衷的任务要求。通过制作仿真动画，动态直观的表现出产品的特性。制作海报，向外界宣传本产品的卖点，提高产品的
4、销售量。关键词：啤酒；发酵罐； 三维设计； 动画展示AbstractThis design is a three-dimensional dynamic display design for beer fermentation tanks. Through this design, the shape of beer fermentation tank can be more intuitively expressed. As an indispensable reaction equipment in beer production, its role is to make the raw
5、materials for beer produce a chemical reaction inside it to produce beer liquid. The entire fermentation process is relatively complex, so the design requirements for the fermentation tank are also high.This design includes: the design of the biochemical reactor; the structural design of the tank; t
6、he design of the agitator; the design of the transmission device; the design of the shaft seal; the structural design of the temperature measurement port, water inlet, and water outlet; assembly design , Strength calculation check; ergonomics will be designed in terms of the convenience of temperatu
7、re control.The fermentor designed on this basis can have more advantages in terms of increasing output, improving quality, and reducing costs, so as to meet the original design task requirements.By making simulation animations, the characteristics of the product are displayed dynamically and intuiti
8、vely. Make posters to promote the selling point of this product to the outside world and increase the sales volume of the product.Keywords: beer; fermentation tank; three-dimensional design; animation display引 言随着我国改革开放的不断深化，科学技术的不断进步。我国的发酵产业已经为国内外市场提供了成千上万不同种类的发酵产品。例如调味品、酸奶、啤酒、饮料等1。最早酿制啤酒主要分这样几个步骤，
9、分别是捣碎、糖化、过滤、煮沸、冷却、发酵、干投啤酒花2。发酵是指在有氧或无氧条件下借助微生物的生命活动来积累大量人类所需要的代谢产物。随着发酵产业的发展，发酵罐的性能有了较大的提升。发酵罐通过内部的搅拌器将反应生成的气泡打散，同时为罐体内部起至关重要作用的微生物们提供了适宜的生长和繁殖环境3。发酵罐作为整个啤酒生产流程中关键的一环，其设计的合理性至关重要。它对纯种培养的要求非常高。在20世纪后，液体深层发酵技术开始出现并得到广泛运用，机械搅拌、发酵检测等一系列技术逐渐完善。20世纪中叶，发酵罐的容积逐渐增大，设备的种类也日趋丰富。随着计算机技术的不断发展进步、生物研究的不断深入，发酵罐的市场也
10、会逐渐扩大。发酵罐的市场潜力巨大，同时对其的技术要求也逐渐提高。一个好的发酵罐，需要有足够严密的结构，良好大传热效率以及高效的液体混合功能，同时还要配套有精确可靠的检测装置等。发酵罐在做到高效、节能的同时，还要做到足够便利，方便操作。纵观历史，从农耕社会到支撑大不列颠帝国远征，再到如今精酿啤酒的迅猛发展，啤酒的生产与消费对整个国家甚至全球的政治经济生态都有着至关重要的影响4。近些年来，啤酒在市场的需求量随着消费水平的提高和消费者对美好生活需要的增长而不断提高。高质量的啤酒产品越来越受到消费者的欢迎。所以，一款高效、节能、发酵质量优秀的啤酒发酵罐就备受各大啤酒厂家的青睐。1 绪论1.1 啤酒发酵
11、罐的特点啤酒发酵罐的特点在于，它作为密闭的空间，能够使用蒸汽灭菌，杀死对发酵有害的微生物。同时又能通过进气阀门向发酵罐内部通入空气，为对发酵有益的微生物提供一个适宜的、良好的生长繁殖环境5。由于发酵罐可以实现多种功能，所以通过自动控制发酵罐内部的气压、液体和气体的流量等等可以控制发酵的进度以及产量。1.2 啤酒发酵罐的设计要求作为整个啤酒发酵的反应容器，发酵罐必须要做到恒温，这样能够让微生物以最大的效率进行发酵过程。其主要反应在：发酵整个周期的缩短，可以节约时间生产出更多的啤酒6；单一反应的时间加快，从而充分利用发酵罐内的空气进行发酵；稳定适宜的温度也能够保证微生物保持最旺盛的生命力7。除了提
12、高发酵效率外，还要在人机工程上对市面上现有的发酵罐中出现的不足进行人性化调整，提高发酵罐使用的便利性。1.3 啤酒发酵罐的设计内容设计内容包括：（1）生化反应器的设计（2）罐体结构设计（3）搅拌器的设计（4）传动装置的设计（5）轴封的设计（6）测温口、进水、出水口等管口的结构设计（7）装配设计，强度计算校核（8）人机工程方面，将在控制温度的便利度等方面进行设计通过改进发酵罐关键部件，提高发酵罐的发酵效率、提升啤酒品质。2. 生化反应器的设计2.1 反应器的类型生化反应器的类型包括：植物反应器、动物反应器、固体发酵设备和液体发酵设备8。其中，啤酒发酵使用的是液体发酵设备中的通风发酵设备。在通风发
13、酵设备中，分为通风机械搅拌和通风搅拌。其中啤酒发酵使用通用式的通风发酵罐。通风发酵罐中包括通风机械搅拌发酵罐、自吸式发酵罐、伍式发酵罐和气升式发酵罐9。2.2 设计思路选择通风机械搅拌发酵罐的原因是，它适用的范围更广、罐体气压高、便于控制温度，从而达到良好的发酵效率。不选择自吸式发酵罐的原因是，它对搅拌转速要求高，不能满足节能减排的要求。并且发酵罐内部压强较低，有害微生物容易进入。此类发酵罐更适合用于醋类的发酵。不选择伍式发酵罐和气升式发酵罐的原因是，它们的耗气量巨大。无法在不改变通气量的情况下去改变起夜混合的状态。并且罐体压强底，罐体底部会产生沉淀10。在选择了机械搅拌发酵罐后，通过发酵罐的
14、结构图可以了解到。设计重点为搅拌器、罐体、传动装置、轴封以及各通气、进气、排料管口。这些是影响发酵罐效率和产品品质的关键。3 罐体的设计3.1 罐体外形的设计思路机械搅拌发酵罐的外形为圆筒形状，如图3.1所示。材料使用碳钢，使用碳钢制作的发酵罐，则需要喷涂防腐的涂料。下方通过使用支架将罐体支撑起来并在下方布置出料口。图3.1发酵罐几何尺寸示意图3.2 参数计算（1）根据圆筒容积计算公式： (3-1)式中：-圆筒容积；D-圆筒直径。设计圆筒容积为1000L，直径D为752mm。代入公式计算出则，满足的要求，故尺寸符合规定。（2）由椭圆封头容积计算公式： （3-2）式中，则所以，公称容积： （3-
15、3）全容积： （3-4）圆筒的高度：2658mm （3-5）3.3 绘制三维模型完成参数计算后，开始绘制罐体的三维模型。打开solidworks软件，新建一个零件命名为“罐体”的sldprt文件。以“前视基准面”为基准面，建立如图3.2所示的草图。此处设置罐体的壁厚为30mm11。图3.2罐体草图草图建立完成后，点击【旋转凸台】，选择建立的草图，以中心的辅助线为旋转中心，旋转360得到罐体的主体模型。接着绘制支架。以罐体的底面为基准面向下平移700mm新建一个基准面1。在该基准面上绘制对称的三个圆形草图如图3.3所示。图3.3支架草图草图绘制完成后，点击【拉伸凸台】。选择三个圆形，【方向】选择
16、“成形到下一面”，得到一个完整的罐体主体的三维模型，如图3.4所示。图3.4罐体主体三维模型在罐体的上方绘制一个可以安装从动轮并能够保护轴封的保护罩。绘制草图，选择【抽壳】选项，将抽壳厚度设置为20mm，如图3.5所示。图3.5绘制保护罩在加强筋1的右侧绘制一个安装电动机的支架。掏空多余的部分以减少材料的浪费。预留出安装电动机的凹槽，如图3.6所示。图3.6电动机支架罐体总体的三维模型如图3.7所示，至此罐体三维模型部分绘制完成。图3.7罐体完整模型图4. 搅拌器的设计4.1 搅拌器外形设计思路在啤酒发酵罐中，搅拌器起到的作用是：（1）打碎气泡，提高氧气的利用率（2）促进传质和传热。搅拌器的类
17、型分为轴向流搅拌器、径向流搅拌器。轴向流搅拌器的代表为螺旋桨搅拌器，如图4.1所示。图4.1螺旋桨搅拌器螺旋桨搅拌器的缺点是，对原料的剪切作用效果差，不能够充分的打碎气泡，也不能阻止气流上升，这样的搅拌器更适合用于培养基的配制12。径向流搅拌器的代表是圆盘直叶涡轮搅拌器，如图4.2所示。图4.2圆盘直叶涡轮搅拌器圆盘直叶涡轮搅拌器的优点在于，由于拥有一个巨大的圆盘，所以可以利用圆盘去阻止气流的上升；六个直叶片能够充分的进行剪切作用；造型相对螺旋桨搅拌器更加简单，制造成本和使用成本更低；直叶片与材料接触面积相对更大，能够提升溶氧效果。4.2 参数计算图4.3直叶涡轮搅拌器截面示意图如图4.3，根
18、据尺寸要求：以及罐体直径确定尺寸。设定=500mm,得出=375mm, =125mm, =100mm4.3 绘制三维模型确定完尺寸后，开始绘制三维模型。新建一个命名为“搅拌器”的sldprt文件。以上视基准面为草图平面，建立一个直径为375mm的圆。拉伸一个厚度为30mm的凸台。使用【拉伸切除】将圆盘中心钻一个直径100mm的孔。以圆盘上表面为草图面绘制草图如图4.4所示。图4.4直叶片草图拉伸该草图得到一个直叶片，使用【圆周阵列】以60为一个单位阵列出六个直叶片。完整的搅拌器三维模型如图4.5所示。图4.5搅拌器三维模型5. 传动装置的设计5.1 传动装置设计思路传动装置由电动机、皮带轮和搅
19、拌轴组成。如图5.1所示。图5.1传动装置示意图电机使用六级电机，转速1000r/min。为了增加吃带面积，从动轮与主动轮的直径比例要小于7，此外，拉大从动轮与主动轮的轮间距可以进一步增加吃带面积。因此，选择直径为80mm的主动轮，选择直径为480mm的从动轮。轮间距设为331mm。搅拌轴分为上悬式和下伸式。选择下伸式的原因是，下伸式可以增加轴的长度，从而减少因剪切作用导致多余的振动，重心低的同时增强了稳定性，有利于延长使用寿命13。5.2 参数计算电机转速设为1000 r/min，由从动轮转速的计算公式： （5-1）式中： -从动轮的半径；-主动轮半径；-电机转速。代入公式得从动轮转速为16
20、7r/min 搅拌轴位于罐体内的长度公式： （5-2）则代入公式计算2252mm+188mm+15mm=2455mm，设搅拌轴的直径为100mm。5.3 绘制三维造型首先是绘制电动机模型，使用【拉伸凸台】命令，绘制电动机主体并进行倒角处理14。由于设定的主动轮直径为80mm，且为了防止皮带在高速运转时发生脱离，故绘制了凹槽对皮带进行限位。电动机与主动轮的三维模型如图5.2所示。图5.2电动机与主动轮模型与主动轮匹配的从动轮，它的直径是480mm。如果制作成和主动轮一样的实心设计，会导致材料的浪费。故此处的从动轮采用了打孔减重的设计方法。与主动轮一样设计了皮带防脱落凹槽，计算出外径为492mm。
21、从动轮的三维模型如图5.3所示。图5.3从动轮三维模型为了绘制皮带，需要先新建一个装配体，将从动轮与主动轮进行配合。接着点击【装配体特征】，选择【皮带/链】，选择主动轮和从动轮的皮带接触面，选择【启用皮带】。随即生成了一个皮带轮廓的草图。将皮带保存为一个零件，点击【编辑】，在前视基准面上，以皮带为中心绘制一个矩形。点击【特征】【扫描】，选择刚刚绘制的草图，【路径】选择皮带的草图。即可完成皮带的绘制如图5.4所示。图5.4皮带三维模型完成了皮带的绘制后，传动部分全部绘制完成，整体的三维模型如图5.5所示。图5.5传动装置三维模型6. 轴封的设计6.1 轴封的设计思路用于发酵罐搅拌轴的轴封分为两种
22、，一种是双端面轴封，一种是填料函式轴封。他们的作用是能够将搅拌轴和罐体密封的组装在一起，防止出现液体和气体的泄漏和外界空气中细菌的侵入。这里选择双端面轴封的理由是，填料函式轴封是依靠向轴封中填充材料，如纤维、工程塑料、橡胶等，使得轴封与搅拌轴的外表面实现接触从而实现密封的状态。这样的轴封在使用中，当搅拌轴高速运转时，填充的材料会和搅拌轴发生严重的摩擦，长期使用会降低密封性，导致气体液体的泄漏和病菌的侵染。6.2 参数计算图6.1双端面轴封双端面轴封由轴套、动环组件、静环组件、弹簧座和弹簧组成。是相对最为复杂的零件。轴套参数：由于搅拌轴的直径为100mm，故设定轴套内径为101mm，外径为110
23、mm，轴套总长为215mm。由于轴封两侧对称，故设定静环座的宽度为30mm，静环的宽度为10mm，动环的宽度为10mm，动环座的宽度为25mm，推环的宽度为5mm，弹簧的长度为17.5mm，弹簧座的宽度为10mm。6.3 绘制三维模型静环座、动环座和弹簧座的绘制方式类似，故只举例说明静环座的绘制方式。新建一个命名为“静环座”的sldprt文件。以前视基准面为草图平面，建立一个图形，尺寸如图6.2所示。图6.2静环座草图选择【旋转凸台】，选择绘制的平面图形，以X轴作为旋转轴，再进行【倒角】处理，即可得到静环座三维模型，如图6.3所示。图6.3静环座三维模型轴封的绘制，最复杂的当属弹簧。以下是绘制
24、弹簧的详细说明。首先在【特征】选项中选择【曲线】【螺旋线/涡状线】以上视基准面为草图平面，绘制一个直径4.3mm的圆，此时退出草图后会出现如图6.4所示的操作面板。分别设置起始角度、螺距、圈数和高度，选择【顺时针】。点击确定。即可得到一个完整的弹簧螺旋线。图6.4螺旋线操作界面以螺旋线起点为基准，新建一个基准面。在基准面中绘制一个半径为0.8mm的圆。选择【扫描】选项，选择绘制的圆形和螺旋线，即可得到完整的弹簧模型，为了方便与推环和弹簧座的表面接触，故使用【拉伸切除】将弹簧的两端削成了平面。最终的弹簧三维模型如图6.5所示。图6.5弹簧的三维模型完成了模型的绘制后，此处需要进行轴封的装配。新建
25、一个装配体，按照从左到右的顺序。分别将轴套和静环座、静环座与静环、静环与动环、动环与动环座、动环座与推环、推环与弹簧、弹簧与弹簧座进行配合。新建一个以轴心为基准的基准轴，选择【圆周零部件阵列】将弹簧阵列出六个。至此，轴封的三维绘制就完成了。最后，新建了一个拉伸切除的模型，以方便观察轴封内部的组成情况。总体的三维模型如图6.6所示。图6.6轴封的三维模型7. 管口及仪表的设计7.1 管口及仪表的设计思路管口和仪表的设计思路是：在罐体的上部，有压力表，进料口与补料口，排气口，窥镜。在罐体的中部，有取样口、温度计和通风管。在罐体底部，有出料口。压力表能够实时监测罐体内部的压强，保证安全的同时更能直观
26、的反映发酵情况。取样口的作用是在发酵期间，取出一部分样品来检测发酵具体到了哪个步骤，以及检查发酵是否充分。设计排气口的目的是，对发酵过程中产生的无关气体进行排出，使得罐体内存放的气体充分的参与发酵过程。窥镜的作用是方便操作人员直接通过肉眼观察罐体内部的状态。温度计的作用与压力表类似，反映了罐体内的温度变化情况。通风管则是为了将发酵过程中缺少的气体通过管口进入罐体内，使得发酵更充分。底部的出料口可以使得罐体内的液体能够完全通过出料口排出，不会残留在罐体内，导致染菌。7.2 三维模型绘制7.2.1 绘制压力表和温度计由于压力表和温度计的绘制方法一致，故只举例说明压力表的绘制方法。首先绘制一条路径，
27、在路径的端面绘制一个直径为14mm的圆。选择【扫描】再进行倒圆角处理，即可得到一个管道。在管道的中心新建一个基准面，在基准面上绘制圆形并拉伸凸台，进行抽壳和倒圆角得到表身和表盘。选择表盘的基准面绘制一个矩形作为刻度，接着绘制一个指针，最后选择草图绘制里面的【文字】输入“bar”。选择【拉伸凸台】和【圆周阵列】，阵列出20个刻度。最终的压力表三维模型如图7.1所示。图7.1压力表的三维模型7.2.2 绘制通风管选择之前绘制的“罐体”模型。由于罐体的直径为812mm。故以“前视基准面”为第一参考，设置一个距离为406mm的基准面。在基准面上绘制一个直径为40mm的圆。以“右视基准面”为草图平面，选
28、择【样条曲线】，从圆心为起点，绘制一条曲线。选择【扫描】，【轮廓】选择直径40mm的圆，【路径】选择曲线，点击确定即可得到通风管的三维模型如图7.2所示。图7.2通风管的三维模型8 人机工程方面的优化设计随着发酵过程的不断变化，发酵罐内部的发酵热也会随之改变，如果不加入温控的装置，会导致发酵不充分甚至会因为温度的不适宜导致有益发酵的微生物的死亡。为了更好的方便工作人员对发酵罐内部温度的控制，设计出了一套水循环的温控系统。其中冷却水选择19左右的地下水，将发酵温度控制在31到33之间。冷却系统的主体部分在发酵罐内部是一条弯曲的列管15。在命名为“罐体”的零件中，以“前视基准面”为参考新建一个基准
29、面，绘制出弯曲的扫描路径。通过【评估】中的【测量】选项，测量出线段顶端距离“上视基准面”的距离并且以“上视基准面”为参考，新建基准面。在基准面上绘制一个直径为20mm的圆作为扫描的轮廓。选择【特征】【扫描】从而得到一条管道。最后分别在管道的两端用同样的方式绘制出伸出罐体外的管道。这样就得到了一个可以控制罐体温度的水循环系统。如图8.1所示。该系统外接一个抽水装置，通过循环流动的水将所需的温度传递到罐体中，从而影响罐体内的温度，得到间接控制罐体温度，使得发酵过程的效率提高。图8.1发酵罐温控系统9. 装配设计9.1 发酵罐的装配9.1.1 罐体与传动装置的装配新建一个命名为“装配体”的sldas
30、m文件。选择【插入零部件】，选择“罐体”文件并在配合中选择“固定”16。选择【插入零部件】，分别选择“电动机”、“从动轮”、“主动轮”、“搅拌轴”文件。选择电动机凸出的矩形插槽与罐体中支架上的凹槽进行三个面的【重合】配合。完成电动机与罐体的装配如图9.1所示。图9.1电动机与罐体的装配接着是搅拌轴与罐体的配合。选择搅拌轴的圆柱面与罐体中心进行轴对称配合，选择搅拌轴的顶端面和罐体的顶端面，设置重合距离为111mm。此处距离是为了方便后期装配从动轮和轴承留下的。然后进行电动机与主动轮、主动轮与从动轮的配合。分别将电动机的转轴与主动轮的凹槽进行轴对称和端面重合的配合，将主动轮的凹槽两端面与从动轮的凹
31、槽两端面进行重合配合，将从动轮与搅拌轴进行同轴心配合。这样做是为了方便皮带的生成以及避免在运转时出现错位的情况。接着选择【装配体特征】中的皮带/链选项，从而在主动轮与从动轮之间生成皮带。最后安装轴承零件。点击【设计库】，选择【toolbox】中的【GB】的【bearing】，选择【滚动轴承】中的【深沟球轴承】。按住并拖动到装配体界面中，即可得到深沟球轴承的操作界面如图9.2所示。由搅拌轴直径为100mm，选择直径为180mm的NU220E-283-94的深沟球轴承。图9.2深沟球轴承的配置界面选择轴承的下端面与从动轮的上端面重合，再将轴承与从动轮进行同轴心配合，即可完成轴承的装配。同理，再新建
32、一个深沟球轴承，选择轴承的下端面与罐体的顶端面进行重合配合，选择轴承与搅拌轴同轴心配合。出现这样就完成了传动装置与罐体的全部配合。完整的装配图如图9.3所示。图9.3传动装置与罐体的装配结果9.1.2 搅拌轴与搅拌器的装配单击【插入零部件】，选择“搅拌轴”文件。点击“罐体”零件进行隐藏零部件。选择搅拌轴和搅拌器进行同轴心配合，再搅拌器的上端面与搅拌轴的下端面进行重合配合，选择【距离】输入125mm。输入距离是为了接下来选择当前的位置进行固定。固定完毕后会出现过定义的错误提示，此时将之前设置的距离配合删除即可。使用同样的方式，分别将另外三个搅拌器与第一个搅拌器进行配合。得到等距离分布的四个搅拌器
33、，而且都能做到与搅拌轴同步旋转。这样就完成了搅拌轴与搅拌器的装配。装配结果如图9.4所示。图9.4搅拌轴与搅拌器的装配结果9.1.3 轴套与搅拌轴的装配选择【插入零部件】，点击“轴封”文件夹中的轴封装配体文件。点击“罐体零件”的下拉菜单，找到保护罩后单击【隐藏】。选择轴封的轴心与搅拌轴的轴心进行同轴心配合。最后选择轴封的下端面与罐体的上端面进行重合配合，即可完成轴套与搅拌轴的配合。装配图如图9.5所示。图9.5搅拌轴与轴封的装配结果9.2 检查校核各零件的配合情况在检查零件配合情况时，发现了问题，在搅拌轴下端如果出于悬空状态，在高速运转中会导致搅拌轴出现位移发生损坏。所以在搅拌轴下端需要有限制
34、轴位移的装置。此处使用轴承配合轴承座以及支架进行限位。点击【设计库】，选择【toolbox】中的【GB】的【bearing】，选择【滚动轴承】中的【深沟球轴承】。按住并拖动到装配体界面中，即可得到深沟球轴承。由搅拌轴直径为100mm，选择直径为150mm的NU220E-276-94的深沟球轴承。新建两个“轴承座”的sldprt文件。一个打孔作为上轴承座，一个不打孔作为下轴承座。在下轴承座的底面绘制支架。完整的三维模型如图9.6所示。图9.6轴承座与支架的装配结果通过检查装配体的设计树，未发现有零部件缺失以及过度配合的情况，拖动主动轮或者从动轮，传动装置正常运转，能够达到搅拌的效果。9.3 完整
35、装配模型展示图9.7展示的是发酵罐装配体的外形轮廓。图9.8展示的是发酵罐的内部轮廓透视图。通过这两张图，我们可以更清楚的看到发酵罐内部和外部的结构特点。 图9.7发酵罐外形轮廓图 图9.8发酵罐内部轮廓透视图 9.4 材料选择及强度校核9.4.1 材料选择首先给罐体进行材料选择，在装配体文件的设计树中找到罐体，点击小三角，选择【材质】【编辑材料】。经过查阅资料，发酵罐罐体大多数使用碳钢材质。操作面板如图9.9所示，点击【solidworks materials】中的钢，选择【普通碳钢】，点击【应用】，即可将罐体的材料选择为碳钢。图9.9编辑材料面板为了秉持轻量化的设计理念，电动机选择铝合金材
36、料。主动轮和从动轮都属于皮带轮，皮带轮属于盘毂类零件。皮带轮的尺寸较大，一般是以铸造为主，且为了保证良好的强度和性能，所以选择灰铸铁。9.4.2 强度校核打开solidworks中的simulation插件,对模型进行有限元分析17。点击【新算例】，选择【静应力分析】。由于分析的是罐体主体的强度。所以点击【罐体】，右键单击其他部件，选择【不包括在分析中】。这样就可以只对罐体主体进行受力分析。经查，通常的啤酒发酵罐压力为1.5公斤。1.5公斤压力是1.5千克的力作用于1平方厘米面积上产生的压强，取g=10N/kg,即15N/cm2,用如下公式进行单位换算。 (9-1) （9-2） （9-3）由公
37、式得到1.5公斤产生0.15MPa的压力。在【外部载荷】中选择【压力】，进入压力编辑界面。在【压强值】菜单中将单位设置为N/mm2(MPa)，数值设为0.1，方向选择反向。右键单击【网格】选择【生成网格】，最后点击【运行此算例】。即可得到罐体的应力及应变的情况18。分别右键单击【应力】和【应变】的【编辑定义】选项，将【变形形状】修改为【真实比例】，单击确定，则展现的是真实的应力应变状态如图9.10所示。图9.10罐体应力情况10. 制作三维动画展示10.1 制作爆炸图复制装配体三维模型文件，重命名为“装配体-爆炸”。打开文件，选择【装配体】【爆炸视图】，新建一个爆炸步骤。【爆炸类型】选择【常规
38、步骤】，在【设定】中的【爆炸类型零部件】中。分别选择零部件进行平移和旋转等操作。步骤顺序为：电动机向Y轴正方向平移从动轮向X轴负方向平移主动轮向X轴正方向平移皮带向X轴正方向平移罐体外轴承1向Y轴正方向平移罐体外轴承2向Y轴正方向平移压力表向X轴正方向平移压力表沿XZ平面旋转温度计向X轴正方向平移罐体向X轴负方向平移轴封装配体向X轴正方向平移轴套向X轴负方向平移静环座向X轴负方向平移静环向X轴负方向平移动环向X轴正方向平移动环座向X轴正方向平移推环向X轴正方向平移弹簧座向X轴正方向平移弹簧向X轴正方向平移搅拌器向X轴负方向平移罐体内轴承座1向X轴正方向平移罐体内轴承向X轴正方向平移罐体内轴承座
39、2向X轴正方向平移。完成后点击确定。即可得到装配体的爆炸视图如图10.1所示。图10.1装配体爆炸视图10.2 三维动画设计思路三维动画展示，主要是展现发酵罐的外观情况以及罐体内部的运作状态。故分为两个方面进行动画制作。一方面是展示发酵罐的传动装置，给主动轮一个旋转的动作，这样通过之前装配时给予的约束配合，就能带动从动轮以及相对应的搅拌轴和搅拌器的运动。一方面是展示外观，通过放大局部和整体的360旋转展示，充分展现发酵罐的每一个位置。10.3 动画制作过程打开装配体文件，在菜单栏中的装配体选项下，点击【新建运动算例】。点击后就会出现时间轴，选择【动画】。首先是将利用三秒的时间，将视角从远拉近到
40、传动装置。右键单击【视向及相机视角】，单击【禁用观阅键码生成】，解除这个选项。目的是为了将改变的视角记录下来。将进度条拖动到三秒的位置，接着在视图中，将三维模型的传动装置给予特写。此时，时间轴上就自动生成了黑色的条带，说明视角移动已经被记录下来了。视角切换之后，接着是表现传动装置的运动情况。将进度条拖到九秒，在时间轴的菜单中单击【马达】，进入【马达】的设置界面如图10.2所示。设置马达位置和马达方向为主动轮的上表面。速度设为等速1000r/min，单击确定。图10.2马达设置由于要展示罐体内部搅拌轴与搅拌器的运动状态。所以从第九秒开始到第二十八秒结束。罐体需要保持透明带隐藏线的状态。在第九秒时
41、，右键点击罐体，选择【零部件显示】【隐藏线可见】。此时罐体的时间轴上出现了红色的状态条，将键码放置在九秒的时刻。这时的效果如图10.3所示。接着继续逐渐将视野扩大，以便于完整的展示三维模型的运动情况。然后再将视角向罐体上部移动并逐渐拉近到能够清晰的表示传动装置的运动情况。图10.3罐体隐藏设置在第二十三秒时，进行一次模型的整体旋转。这样的目的是能够全方位的展示发酵罐模型的内部和外部特征。点击时间轴菜单中的【动画向导】，选择【旋转模型】并点击【下一步】。选择Y轴作为旋转轴，【旋转次数】设为两次，方向选择【顺时针】并单击下一步。设置【时间长度】为五秒，【开始时间】为二十三秒，点击完成就能得到一段旋
42、转的动画。再使用两秒将罐体从隐藏线可见设置为带边线上色。这样就在三十秒的时间内，完成了三维模型的动画展示。完整的时间轴如图10.4所示。图10.4完整的时间轴制作完成后，点击时间轴上的【保存动画】选项，将三维动画保存为AVI格式。10.4 海报制作过程海报的制作使用了keyshot8和Adobe Photoshop2018这两款软件。使用keyshot8软件将三维的装配体模型进行渲染，再使用Adobe Photoshop2018软件将渲染完的图片进行处理，使其成为一张海报。keyshot环境渲染中的HDRI环境编辑能够以自定义的方式设置光效，高效地完成渲染工作19。具体步骤如下。打开keysh
43、ot8软件，点击【文件】【打开】，找到装配体文件，点击打开。选择底部的【库】和【项目】，激活这两个界面20。为了表现罐体内部的结构，将罐体的材料设置成玻璃。选择【材质】【Materials】【Glass】,将材质球拖动到右侧【场景】中的罐体上。这样就赋予了玻璃材质。通过渲染界面可以清晰的看到内部的结构。点击【属性】中的【组】，再点击【编辑材质】，即可对罐体的材质进行进一步的修改。设置【透明距离】为6毫米，【折射指数】设为为1.7，【粗糙度】设为0。操作界面如图10.5所示。图10.5材质操作界面电动机的材质选择铝合金。动轮和主动轮采用铝质材料，【材质】界面中的【类型】选择金属，【金属预设值】选
44、择铁。搅拌轴选择铁。由于没有在材质中找到橡胶材质，故选择塑料作为皮带的材质。在【材质】选项中的【纹理】中选择【皮革】，这样就能尽可能展现橡胶材质的特点。压力表和温度计的材质设置为不锈钢。轴承、轴承座、轴封的装配体的材料也选择铁合金。最后将四个搅拌器的材料设置为不锈钢。材料设置完毕后，呈现的初步渲染结果如图10.6所示。图10.6初步渲染结果完成材质选择后，接下来设置背景。点击【库】中的背景选项。选择一个名称为“Corrider 2”的背景图片，拖拽到界面中，得到的结果如图10.7所示。图10.7添加背景完成环境的添加也是渲染过程中不可缺少的部分。点击【库】中的【环境】选项，选择“3 Piont Light 4K”作为基础的环境照明。在【环境】选项中单击【HDRI编辑器】，添加一个针，也就是一个光源。再根据需要调整四个光源的位置和大小。最后再调整照相机的角度并锁定相机视角，这样就完成了发酵罐的渲染工作。渲染的效果如图10.8所示。图10.8完整的渲染结果在keyshot软件渲染完毕后，接着是在PS中进行海报制作。打开Adobe Photoshop2018软件。在【文件】中选择“渲染主图.jpg”并打开。经查询，海报的基本尺寸为80cm200cm。选择【图像】【画布大小】，设置宽度和高度后单击确定。即可得到剪裁后的海报大小。上下的留白部分，分别插入品牌的LOGO和公司名称。使用艺术