基于ABAQUS的甘蔗壓榨提汁數(shù)值模擬研究

何　瀟，黃悅峰

（廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

甘蔗壓榨提汁是一個古老的行業(yè)，長期以來由于甘蔗壓榨提汁過程涉及大應(yīng)變、接觸摩擦、強流固耦合等多種復(fù)雜的非線性問題，其理論模型難以構(gòu)建，人們對甘蔗壓榨提汁過程中榨輥的開口間隙、輥子直徑等壓榨機結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行速度的選擇只能憑生產(chǎn)經(jīng)驗進行選取[1]。而隨著對甘蔗壓榨提汁率要求越來越高、以及要求壓榨能耗更低，單憑經(jīng)驗的設(shè)計壓榨機很粗糙，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制糖行業(yè)更加精細(xì)的要求。因此，必須要搞清甘蔗壓榨提汁過程的排汁規(guī)律，及壓榨機輥子直徑、輥子速度、輥子開口間隙等與排汁的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)規(guī)律對甘蔗壓榨機進行設(shè)計。ABAQUS有限元軟件在非線性和流固耦合領(lǐng)域的應(yīng)用非常適用[2]，把壓榨提汁過程中由撕蔗機破碎后的蔗料視為各向同性多孔介質(zhì)，蔗汁在蔗料固體骨架中的流動滿足達西定律，其物理過程和巖土的變形滲透非常類似，因此可以通過ABAQUS有限元軟件對甘蔗壓榨進行數(shù)值模擬仿真，在計算機上再現(xiàn)甘蔗壓榨提汁過程可以研究無法通過實驗檢測觀察到的蔗料內(nèi)部的微觀現(xiàn)象，對于深入認(rèn)識甘蔗壓榨提汁過程的排汁與輥子開口、輥子直徑、輥子速度關(guān)系十分必要。

已有一些國內(nèi)外研究者對甘蔗壓榨提汁數(shù)值模擬進行了研究，如OWEN運用蔗料應(yīng)力應(yīng)變的平均值構(gòu)建的本構(gòu)模型 σˉ＝aεˉb以及蔗料固體骨架的平均彈性模量泊松比值對甘蔗壓榨提汁進行了數(shù)值模擬[3，4]，研究了壓力與壓縮比的關(guān)系以及對比了多孔輥子和不可變形輥子壓榨提汁的效果，分析了輥子速度與輥子直徑與孔隙壓力和輥子轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，Kannapiran采用更加符合蔗料實際的本構(gòu)模型，Drucker-Prager Cap模型研究了輥子受力和力矩隨壓縮比的變化關(guān)系[5]，以及蔗汁的流動情況和蔗料的變形情況。但還少有對輥子直徑、輥子速度、輥子開口間隙與排汁的關(guān)系的研究。

為此，本文參考前人對甘蔗壓榨提汁過程中蔗料固體骨架的本夠模型Drucker-Prager Cap模型參數(shù)、蔗汁滲透率參數(shù)，以及通過單軸側(cè)限壓壓縮試驗測得彈性模量泊松比參數(shù)，根據(jù)蔗料的壓縮比在達到3的時候基本排出蔗汁的規(guī)律，將對壓縮比到3的甘蔗壓榨提汁過程進行了模擬研究，根據(jù)數(shù)值模擬分析了蔗層厚度、輥子直徑、輥子速度對排汁的影響，為壓榨機的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

由上可知，“工業(yè)為主”論對于“農(nóng)業(yè)為主”論的立論依據(jù)“以農(nóng)立國”論持否定態(tài)度，認(rèn)為只有順應(yīng)世界經(jīng)濟發(fā)展趨勢，發(fā)展工業(yè)，使中國走上工業(yè)化的道路，中國經(jīng)濟才有發(fā)展的可能。與之相應(yīng)，發(fā)展生產(chǎn)教育應(yīng)當(dāng)以“工業(yè)為主”，強調(diào)工業(yè)為主，并非否定農(nóng)業(yè)的價值，而是工業(yè)發(fā)展以后反哺農(nóng)業(yè)，推動農(nóng)業(yè)工業(yè)化。

1　甘蔗壓榨提汁模型及數(shù)值參數(shù)

1.1　甘蔗壓榨提汁模型

目前大部分糖廠使用三輥壓榨機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要構(gòu)件包括頂輥、前輥、后輥和底梳。甘蔗纖維在壓榨過程中的受力十分復(fù)雜，主要包括以下幾種情況[6]：

在A區(qū)域甘蔗纖維受力狀態(tài)包括正常固結(jié)、卸載和正常固結(jié)下的剪切；在B區(qū)域甘蔗纖維的受力狀態(tài)通常包括超固結(jié)、卸載和超固結(jié)下的剪切。目前學(xué)者主要針對A區(qū)域甘蔗纖維的力學(xué)行為進行分析和建模，而且研究尚不充分。

圖1　三輥壓榨機示意圖

三輥壓榨機經(jīng)過200多年的使用和改進，已逐步完善。但是仍然有一些固有的缺點，如底梳摩擦的存在，前后輥開口大小不同而產(chǎn)生側(cè)壓力，這些導(dǎo)致壓榨機功率增加，維修管理麻煩，事故多等問題。國內(nèi)外近二十年也都有研究和試用兩輥壓榨機，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，兩輥壓榨機沒有底梳，減少了功率，消除底梳漏渣、底梳事故的隱患等問題；甘蔗纖維入轆順利，頂輥升降靈活；結(jié)構(gòu)簡單，少一個輥子及其附件，節(jié)省投資。

圖2　兩輥子壓榨示意圖

蔗汁液體總速度云圖如圖4.

1.2　蔗料材料本構(gòu)模型及蔗汁滲透率數(shù)值

對甘蔗壓榨提汁進行模擬首先要有蔗料固體骨架的彈性、塑性參數(shù)和蔗汁液體隨壓縮變化的滲透率值。查閱中文和外文文獻，甘蔗蔗料的彈性參數(shù)取值如表1，根據(jù)Kannapiran的實驗研究，得到的蔗料固體骨架的本構(gòu)關(guān)系為Drucker-Prager Cap模型[5]，其模型參數(shù)見表2.

表1　蔗料固體骨架的彈性參數(shù)

表2　蔗料固體骨架的Drucker-Prager Cap模型參數(shù)

為了探究蔗層厚度對提汁的影響，以直徑D=1.05 m的輥子為模型，設(shè)定輥子線速度為1.5 m/s，分別模擬了蔗層厚度為H=0.08 m和H=0.04 m的蔗料壓縮比為3的壓榨提汁。

表3　CAP PLASTICITY參數(shù)

液體通過多孔介質(zhì)單位面積的體積流量和液體的壓力梯度之間的關(guān)系被定義為滲透率，當(dāng)前的研究把多孔介質(zhì)看著各向同性的，所以滲透率也是各向同性，為孔隙比的函數(shù)，的實驗研究測定蔗料的滲透率值如表4.

表4　蔗汁滲透率隨孔隙比變化值

2　基于ABAQUS的模擬結(jié)果

2.1　仿真方法

應(yīng)用ABAQUS流固耦合分析模塊soil對甘蔗壓榨提汁進行模擬分析[7，8]，由于把蔗料視為各向同性的多孔介質(zhì)，所以把三維實體輥子簡化到二維平面進行模擬。蔗料初始為一個矩形，輥子設(shè)為剛體，兩個輥子以蔗料中心，即矩形中心線為對稱軸對稱分布。對蔗料的網(wǎng)格的劃分采用CPE8RP（八節(jié)點平面應(yīng)力四邊形單元，該單元為減縮積分單元[9]，該單元模型能模擬飽和和非飽和液體流過變形多孔介質(zhì)。初始條件：蔗料的初始孔隙比為12.1，蔗料初始孔隙壓力為0.輥子剛體的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)模擬的壓榨速度計算設(shè)置，輥子與蔗料之間的摩擦因素設(shè)為0.5.

2.2　仿真結(jié)果及初步分析

以直徑D=1.05 m的榨輥提汁為例，設(shè)置輥子角速度轉(zhuǎn)速 W=0.285 714，則輥子轉(zhuǎn)速 V=WR=0.149 999 85 m/s，蔗料進料高度設(shè)為0.08 m，輥子開口設(shè)為0.026 6 m，即模擬壓縮比為3的壓榨提汁過程，孔隙壓力云圖3.

圖3　孔隙壓力云圖

本文把甘蔗纖維的模型應(yīng)用于壓榨提汁仿真，主要關(guān)注的是甘蔗纖維在A區(qū)域的力學(xué)行為，因此，采用結(jié)構(gòu)簡單的兩輥壓榨機模型更合適，如圖2所示。圖中H為蔗層厚度、W為輥子開口、V為輥子速度。

高校社團是大學(xué)生自我教育、自我管理、自我服務(wù)的重要載體，也是高校馬克思主義大眾化實現(xiàn)路徑的主要媒介，更是高校馬克思主義大眾化實現(xiàn)路徑的全新探索。社團文化以學(xué)生為主體，因此，社團文化總選擇有利于學(xué)生身心發(fā)展的社會主流文化的基本精神，批判和剔除有害于學(xué)生發(fā)展的社會非主流文化[7]。用社會主義核心價值體系引領(lǐng)社團文化建設(shè),是提高學(xué)生思想素質(zhì)、引領(lǐng)學(xué)生在新的歷史環(huán)境下不斷成長的客觀需要，也是推進學(xué)生身心發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生“四真”信念(真心、真信、真情、真行)的現(xiàn)實需要，讓學(xué)生做到真學(xué)、真懂、真信、真用。具體而言，高校社團文化建設(shè)的實現(xiàn)路徑主要體現(xiàn)在四個方面。

圖4　蔗汁液體速度云圖

由于不考慮重力，蔗汁液體速度在以蔗料中心線為對稱軸對稱分布，與空隙壓力從內(nèi)向外減小相反，蔗汁速度從內(nèi)向外增大，在蔗料的表層蔗汁速度達到最大，蔗汁速度較大的一段在壓榨段的中間。蔗汁速度矢量圖如圖5所示。

圖5　蔗汁速度矢量圖

3　蔗層厚度、輥子速度、輥子直徑對壓榨提汁的影響

3.1　設(shè)置參考線

為了探究蔗料內(nèi)部蔗汁的流動和空隙壓力的變化規(guī)律，在蔗料上設(shè)置參考線，蔗料厚度為0.08 m，壓縮比為3時，進料厚度為0.08 m的蔗料被壓縮后的高度約為0.026 m，進料厚度為0.04 m的蔗料被壓縮后的高度約為0.013 m.由于進料蔗料簡化為矩形，如圖2所示，建模時，以矩形中心線為橫軸，則進料蔗層厚0.08 m和0.04 m的蔗料壓縮后的蔗料上表面高度分別為0.013 m和0.0065 m，分別在厚度0.08 m和0.04 m的蔗料中心和上表面高度上設(shè)置路徑CENTER和UP，蔗層厚0.08 m時，其中心線（CENTER）上和上表面線（UP）上的孔隙壓力分別簡寫為PC-H0.08、PUP-H0.08，在蔗料上表面選取速度最大的網(wǎng)格單元得到三個節(jié)點的速度V01-H0.08、V02-H0.0/8、V03-H0.08、V04-H0.08，得到輥子的力矩為RM-H0.08；蔗料厚度為0.04 m，其中心線（CENTER）上和上表面線（UP）上的孔隙壓力分別簡寫為PC-H0.0，4、PUP-H0.04，在蔗料上表面選取速度最大的網(wǎng)格單元得到三個節(jié)點的速度V01-H0.04、V02-H0.04、V03-H0.04、V04-H0.04，得到輥子的力矩為RM-H0.04.

其中心和上表面孔隙壓力對比圖，蔗層厚度方向的孔隙壓力變化圖、表面最大速度對比圖，輥子力矩對比圖分別如圖6、圖7、圖8.

自動駕駛系統(tǒng)系統(tǒng)采用先進的通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)，對列車實現(xiàn)實時、連續(xù)控制。采用現(xiàn)代通信手段，直接面對列車，可實現(xiàn)車地間的雙向數(shù)據(jù)通信，傳輸速率快，信息量大，后續(xù)追蹤列車和控制中心可以及時獲知前行列車的確切位置，使得運行管理更加靈活，控制更為有效，更加適應(yīng)列車自動駕駛的需求。

由圖6可以得到蔗層降低之后，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力反而增大，蔗料厚度方向的孔隙壓力梯度增大。

3.2　蔗層厚度與排汁的關(guān)系

當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力以后，蔗料會發(fā)生永久的塑性應(yīng)變，所以用屈服點和屈服后硬化曲線描述材料的塑性，在材料的屈服后變形區(qū)域，同時發(fā)生彈性和塑性應(yīng)變。Drucker-Prager/Cap模型定義了屈服面參數(shù)，CAP PLASTICITY定義了材料屈服后的硬化行為。所以需要輸入體塑性應(yīng)變和相對靜水壓力屈服應(yīng)力。根據(jù)前人的研究，其值如表3所示。

遲恒去小店買了包三十幾塊一包的“紅塔山”，拆開點燃抽了口，純，真煙，這種價的煙，在市里不熟的店子買，冷不丁就給你來包贗品。到尾砂庫東頭下游壩底后，遲恒結(jié)帳讓司機回了。河床似的、延伸很遠(yuǎn)的平地，上面只種菜，沒有建房，潰壩的話，砂流會順著河床沖跑，但河床兩旁都是房屋，地勢比河床高不了多少，如果大潰壩，從一百多米高處傾瀉而下的砂槳流勢能極大，一旦成扇型展開，這些民房極有可能會被砂流沖埋。外省一個地方尾砂礦潰壩，一次淹死下游267個人。河灘左側(cè)有條很長的渠，不像新修的，流出的水清澈，砂庫的積水、滲水一部分從這里導(dǎo)出。菜地長出的菜綠綠的挺好看。

在輥子的轉(zhuǎn)速比較小時，所設(shè)定模擬的蔗料長度為1 m，輥子轉(zhuǎn)速比較大時，設(shè)定蔗料長度為3 m.在模擬仿真時設(shè)定蔗料與輥子接觸的靜力分析步時間為2 s，壓榨提汁流固耦合分析步時間為3 s.所以后面得到的坐標(biāo)圖，壓榨提汁段的坐標(biāo)圖時間軸為2~5 s，而以路徑距離為橫縱的坐標(biāo)在速度比較小的時候是1，而速度比較大的時候為3.

圖6　厚度0.08m和0.04m蔗層空隙壓力對比

圖7為厚度分別為壓榨0.08m和0.04m的蔗料的力矩，可以發(fā)現(xiàn)蔗層更薄，壓榨蔗料所需的力矩更小。

咳嗽是人體生理性保護機制，是自行清除呼吸道黏液的唯一辦法。嬰幼兒的呼吸系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，咳嗽反射能力較差，痰液不容易排出，如果給予強力止咳，會導(dǎo)致痰液滯留在呼吸道，將加重病情甚至可引發(fā)其他并發(fā)癥。

由圖8可以得到，對于相同的輥子速度，輥子直徑越大，蔗料蔗層中心的孔隙壓力越大。

圖7　厚度0.08m和0.04m蔗層上力矩對比

3.3　榨輥直徑對提汁的影響

固定蔗層厚度，設(shè)為0.08 m，輥子線速度都是0.15m/s，輥子直徑分別為 0.55、0.65、0.75、0.85、0.95、1.05 m，分別研究其中心線上的空隙壓力，上表面最大速度，輥子力矩，分別如圖8、圖9、圖10所示。

所以可以得到結(jié)論，從排汁的角度，降低蔗層厚度，蔗汁速度更快，有利于排汁。

圖8　中心空隙壓力圖

由圖9所示，相同的蔗層厚度和輥子速度，輥子直徑越大，蔗料表層的蔗汁流動速度越大，但是蔗汁速度與輥子速度不在同一個數(shù)量級，所以雖然輥子的直徑越大蔗汁流動速度更快，但是差別不大。

圖9　輥子上表面最大速度

由圖10可以得到，輥子直徑越大，輥子的力矩越大。由圖8、圖9、圖10可以得到，輥子直徑越大，蔗料內(nèi)部空隙壓力，蔗汁流動速度，榨輥力矩越大，但是，由于蔗汁的流動速度相對于榨輥的轉(zhuǎn)動速度比較小，所以榨輥直徑對蔗汁流動速度的影響不明顯，但是輥子轉(zhuǎn)矩隨輥子直徑增大很明顯。

圖10　不同輥子直徑的力矩

3.4　榨輥速度對壓榨提汁的影響

由于對直徑為0.95 m的榨輥進行仿真模擬發(fā)現(xiàn)，輥子速度為1 m/s時，蔗料內(nèi)形成的空隙壓力和力矩比較小。所以再取直徑為1.05的輥子，蔗層厚度0.08 m，輥子速度分別取 0.5、0.8、1、1.2、1.5 m/s進行研究，加密速度變化的值，在速度變化范圍0.5~1.5 m/s之間，用0.8 m/s和1.2 m/s去逼近速度1 m/s，觀測速度在1 m/s上下波動時孔隙壓力的變化。得到蔗層中心孔隙壓力、蔗層上表面孔隙壓力、榨輥力矩分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11　蔗料中心空隙壓力

圖12　蔗料上表面空隙壓力

圖13　輥子力矩

由圖11、圖12、圖13可以得到輥子的速度對輥子的力矩影響不明顯，輥子速度為1 m/s時，輥子的力矩減小很明顯。1 m/s的輥子速度對于輥子的速度與輥子轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系來說是一個拐點。

發(fā)酵香腸是指以碎肉、脂質(zhì)為主要原料，與鹽、糖、味精、香料及微生物發(fā)酵劑等混合腌制后灌進腸衣，在一定條件下發(fā)酵而成的發(fā)酵肉制品[3-6]。發(fā)酵香腸中常用的發(fā)酵劑菌株是乳酸菌、接觸酶陰性球菌(主要是葡萄球菌屬和考克斯菌屬)以及酵母和霉菌[7]。發(fā)酵香腸不僅風(fēng)味特殊，食用方便，還含有多種有益于人體的營養(yǎng)成分，自20世紀(jì)以來，國內(nèi)對發(fā)酵香腸的研究便備受矚目，發(fā)酵劑種類日益更新，由單一的微生物發(fā)酵劑到復(fù)合發(fā)酵劑[8]。復(fù)配發(fā)酵劑是直投式發(fā)酵劑的一種，通過優(yōu)勢菌的作用，在不改變發(fā)酵品質(zhì)的基礎(chǔ)上，成功克服了微生物發(fā)酵劑的不足，從而改善了發(fā)酵劑的性能[9,10]。

4　結(jié)束語

蔗汁的速度與蔗料內(nèi)部的孔隙壓力梯度有關(guān)，輥子的受力與蔗料內(nèi)部的孔隙壓力有關(guān)，輥子的力矩受到輥子的直徑、輥子的速度、蔗層的厚度綜合的影響。所以輥子直徑、輥子速度、蔗層厚度對蔗料內(nèi)部的孔隙壓力和孔隙壓力梯度的影響最直接反應(yīng)其對壓榨提汁的影響。因此重點對壓榨提汁模擬結(jié)果的空隙壓力，蔗汁速度、輥子力矩進行研究，得到了如下的一些結(jié)論：

（1）減小蔗層厚度，蔗料內(nèi)部的空隙壓力增大，蔗層內(nèi)外的孔隙壓力梯度增大，蔗汁的排汁速度加快；減小蔗層厚度對排汁速度的要求降低，所以降低蔗層厚度有利于排汁；

（2）加大輥子直徑，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力增大，輥子力矩增大；

旅游小鎮(zhèn)建設(shè)可以依托具有開發(fā)價值或者已經(jīng)建設(shè)發(fā)展中的著名旅游景區(qū)，為了優(yōu)化景區(qū)旅游服務(wù)功能，以旅游產(chǎn)業(yè)為核心建設(shè)，如黃山風(fēng)景區(qū)東部綜合開發(fā)核心區(qū)譚家橋國際旅游休閑小鎮(zhèn)；恩施大峽谷旅游風(fēng)情小鎮(zhèn)等都是基于著名旅游風(fēng)景區(qū)建設(shè)的特色旅游小鎮(zhèn)。

針對移動開發(fā)諸多的模式選擇和技術(shù)棧，如何找到最適合本企業(yè)的開發(fā)技術(shù)是移動開發(fā)團隊最關(guān)心的問題。圖2為選型策略參考模型，使用決策樹模式展示。企業(yè)可根據(jù)自身團隊的特點和技術(shù)積累，參照參考模型選擇技術(shù)棧。圖2中，箭頭上的條件決定著選擇路徑的走向。參考模型中并未囊括所有的選擇可能和開發(fā)技術(shù)，可根據(jù)實際條件和技術(shù)偏好添加或移除相關(guān)分支。

（3）榨輥的速度對蔗料內(nèi)部空隙壓力的影響不明顯，速度為1 m/s時，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力和榨輥的力矩最小，1 m/s的壓榨速度是一個拐點，用1 m/s速度進行壓榨提汁最能減小能耗。