基于ABAQUS的壓面機壓輥有限元分析

摘要：研究壓面機壓輥和面團的受力，從結構和功能上對壓輥進行改善與優(yōu)化。利用CAD和SolidWorks建立壓面機整體平面圖和三維圖，并借助ABAQUS軟件對壓面機的執(zhí)行部件壓輥進行仿真分析。結果表明，壓輥轉速50 r/min、直徑140 mm時，壓面過程中與面團接觸最多，面團的受力區(qū)域最大，更易排除面團中的空氣，得到致密的面筋組織，面筋更筋道。

關鍵詞：壓面機；虛擬樣機；SolidWorks三維建模；ABAQUS仿真分析

中圖分類號：TS211.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）05-1208-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.046

Abstract： The stress of the pressurizing roller of the noodle making machine and the dough were studied to improve and optimize the pressurizing roller from the structure and function. Using the CAD and Solid Works， the plan and 3D map of the noodle making machine were built， which can intuitively optimize the structure and simulate the pressurizing roller by ABAQUS. The results showed that optimal parameters of the pressurizing roller were the speed of 50 r/min， the diameter of 140 mm. Under these conditions， the pressurizing roller and the dough contacted largely. The air in the dough was removed easily. The dense gluten and chewiness was obtained.

Key words： noodle making machine； virtual prototype； SolidWorks three dimensional modeling； ABAQUS simulated analysis

仿真設計、虛擬設計使得產品研發(fā)周期大大縮短， 極大地節(jié)省了人力、物力， 設計柔性化大大增強， 這也是現(xiàn)在機械行業(yè)發(fā)展的必然要求。壓面機作為一種常用炊具機械， 近年來， 隨著中國炊具機械行業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對食品產業(yè)日益提高的需求， 傳統(tǒng)的產品開發(fā)模式已遠不能適應現(xiàn)代市場的發(fā)展。目前關于新型壓面機的設計開發(fā)很多[1-11]，但鮮見關于壓面機整體結構和壓面時壓輥和面團受力分析以及壓面效果的報道。

為此，針對壓面機這一常用炊具機械，從實際工作需求著手，依托三維建模、仿真及虛擬技術，設計開發(fā)了一種新型壓面機壓輥，并對壓面機壓面過程進行仿真。以ABAQUS軟件為平臺，建立新型壓面機壓輥的三維模型，通過ABAQUS軟件的后處理模塊改變參數(shù)設置，觀察面團的受力變化、變形延壓效果等，分析壓輥對壓面過程的影響，將虛擬樣機及仿真技術應用于新型壓面機設計。

1 壓面機設計原理及三維圖

1.1 壓輥的延壓原理

壓片機構通過兩個壓輥的相對回轉，面團在摩擦力和壓力的作用下在輥隙中擠壓延伸，由于輥的間隙逐漸減小，壓力和剪切作用逐漸加強，已完成面料在脫離壓輥后延展成厚薄均勻的面片。壓輥的延壓原理圖如圖1所示。

對面團導入力學條件進行分析，設P為壓輥對物料產生的徑向力，T為面料受到的摩擦力，φ為面料和壓輥的摩擦角，α為導入角即壓輥在接觸變形區(qū)對應壓輥的中心角， f為摩擦系數(shù)，h1和h2為面團導入前后的厚度。面團導入輥隙的力學條件是Tx≥Px，分析后得到α≥（h1-h2）/1-f，由此可得知，面團的厚度變化較小或摩擦系數(shù)較大時，面團更易導入壓輥中。

1.2 壓面機三維圖及平面圖

利用游標卡尺對現(xiàn)有的普通壓面機進行精確測量，根據(jù)尺寸數(shù)據(jù)繪制草圖，然后用CAD軟件進行整體俯視圖、左視圖、主視圖的繪制，為了能夠直觀地改善和優(yōu)化普通壓面機的結構，利用SolidWorks對其進行三維實體模型建模，壓面機平面圖和三維圖如圖2和圖3所示。

2 壓輥和面團模型的建立及材料特性

按照實際模型的大體幾何尺寸創(chuàng)建壓輥、面團等幾何模型，定義壓輥為三維解析性旋轉剛體，大約尺寸為600 cm3；面塊作為三維可變性拉伸物體，面團模型的形狀沒有一定的標準，這里作為橢圓形的餅來處理。面團的材料屬性比較復雜，是一種典型的生物高分子黏彈性材料，因此把面團當作彈塑性材料來處理，并定義其大體密度為800 kg/m3，彈性模量為100 MPa，泊松比為0.3[12]；根據(jù)模擬計算的要求及實際加工受力，采用C3D8R單元即三維八節(jié)點六面體縮減積分單元。壓輥的模擬中給它指定一定的速度，即給面團一個小的進給速度保證壓輥與面團的接觸。旋壓過程是高度非線性問題，要分析接觸前后物體間的相互作用，產生接觸的物體滿足無穿透條件，選擇合適的主從及摩擦關系。壓輥與面團的裝配圖和面團的有限元模型如圖4和圖5。

3 仿真分析結果

3.1 不同轉速的壓輥壓面效果

分別取壓輥轉速為50、75 r/min，通過對比不同轉速的壓面效果，選擇合適的配置。圖6中a～f分別代表轉速在50 r/min和75 r/min時面團的內能曲線、動能曲線和云圖。

圖6中a、b、c、d分別表示不同轉速時壓軸所具有的內能和動能，反映壓面機對面團的擠壓效果，但從圖6可以看出， 通過改變轉速面團的內能曲線變化并不明顯，動能曲線變化也不明顯，總體上轉速在50 r/min時面團的內能、動能稍優(yōu)于75 r/min轉速的。隨著時間的延長面團的動能呈拋物線遞增，這是因為面團上的節(jié)點一直在做加速運動。從圖6中應力云圖e和d可以看出不同壓輥轉速時面團的應力集中區(qū)域，能更加直觀地反映不用轉速時面團被擠壓的效果，其中顏色深的區(qū)域越大說明應力集中越大，因此產生的面團更有筋道。壓輥轉速的變化只是影響進出面的效率，面團的形變基本一樣，實際中壓輥的轉速要配合電機、面團進入速度和效率、出面裝置、噪音、安全等因素，所以要選擇合適的轉速。

3.2 相同轉速下不同直徑壓輥壓面效果

相同轉速下不同直徑壓輥的壓面效果見圖7。圖7中a～f分別代表壓輥直徑為118 mm和140 mm時面團的內能曲線、動能曲線和云圖。

從圖7中a、b、c、d可以看出，面團的內能和動能曲線大體相同，動能和內能曲線只是ABAQUS的產物，直徑對于面團變化的影響并不能清楚地看出來。從圖7中e和f可以明顯看出，同樣的面團與壓輥的接觸面積不同，壓輥直徑為140 mm時與面團的接觸更多，如果追蹤面團上的一個點，很容易看到該點較直徑為118 mm的點能獲得更長時間的擠壓，或者說持續(xù)擠壓使得面團更硬。圖8中面團受到壓輥的擠壓而產生應力集中區(qū)域，其中顏色由深到淺分別代表最大應力、第二應力、最小應力。從圖8可以看出，由于直徑140 mm的壓輥壓面過程中與面團接觸多，面團的受力區(qū)域大，更易排出面團中的空氣得到致密的面筋組織，面筋更筋道。

4 小結

試驗結果表明，新型壓面機壓輥轉速在50 r/min時面團的內能、動能稍優(yōu)于75 r/min轉速的，壓輥轉速的變化只是影響進出面的效率，面團的形變基本是一樣的。壓輥直徑為140 mm時壓輥與面團的接觸更多，如果追蹤面團上的一個點，很容易看到該點較直徑為118 mm的點能獲得更長時間的擠壓，或者說持續(xù)擠壓使得面團這種材料的物質更硬，面更有筋道。

虛擬樣機仿真技術可以有效縮短設計周期，利用ABAQUS仿真壓輥的壓面效果能夠為壓面機整體設計提供參考。

參考文獻：

[1] 劉克福，李曉虹.多用壓面機設計與研究[J].機械設計與制造， 2009（3）：32-34.

[2] 姜 英，王友林.壓面機輥軸斷口的觀察與分析[J].食品與機械，2005， 21（5）：24-25.

[3] 姜 英，王友林，馮 柳.壓面機輥軸斷口的微觀形貌特征[J].機械與設計，2006， 22（6）：89-90， 106.

[4] 陳春燕.壓面機壓輥相關技術[J].糧食加工，2006（4）：53-54.

[5] 曾 俊.壓面機多用切面刀裝置[P].中國：CN88206325.1， 1989-01-11.

[6] 劉克福，李曉虹.多用壓面機設計新思路[J].糧食加工，2008，33（2）：59-60.

[7] 吳 靜，葛 立.壓面機新用途的改進設計[J].湖南農機，2003（2）：14-15.

[8] 葛 立.壓面機的改造及新用途的探索[J].農業(yè)推廣與安全，2003（2）：11-12.

[9] 張裕中，藏其梅.食品加工技術裝備[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007.

[10] 吳連生.失效分析技術[M].重慶：四川科學技術出版社，1985.

[11] 廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[12] 朱張校.工程材料[M]. 第三版. 北京：清華大學出版社，2001.