基于ABAQUS的压面机压辊有限元分析

基于ABAQUS的压面机压辊有限元分析
作者：代治国，张涛，刘开生，等
来源：《湖北农业科学》 2015年第5期
代治国１，张涛２，刘开生１，雷昌浩１，陈崇１，谢冬３
（１．重庆市经贸中等专业学校，重庆４０２１６０；２．甘肃农业大学工学院，兰州
７３００７０；
３．敦煌市七里镇人民政府农林牧服务中心，甘肃敦煌７３６２００）
摘要：研究压面机压辊和面团的受力，从结构和功能上对压辊进行改善与优化。

利用ＣＡ
Ｄ和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立压面机整体平面图和三维图，并借助ＡＢＡＱＵＳ软件对压面
机的执行部件压辊进行仿真分析。

结果表明，压辊转速５０ｒ／ｍｉｎ、直径１４０ mｍ时，压面过程中与面团接触最多，面团的受力区域最大，更易排除面团中的空气，得到致密的面筋
组织，面筋更筋道。

关键词：压面机；虚拟样机；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维建模；ＡＢＡＱＵＳ仿真分析
中图分类号：ＴＳ２１１．３文献标识码：A文章编号：0439－８114（２０15）05－
1208-04
ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１
５．０5．０46
收稿日期：２０１４－１２－１６
基金项目：国家中等职业教育改革发展示范学校建设计划项目（ＣＱ２０１２０８）；干
旱环境作物学重点实验室开发基金项目（ＧＳＣＳ－２０１２０９）；
“十二五”国家科技支撑计划项目“西北绿洲农牧循环技术集成与示范”（２０１２ＢＡ
Ｄ１４Ｂ１０）
作者简介：代治国（１９８６－），男，四川安岳人，助教，硕士，主要从事农业工程技
术与装配研究，（电话）１８８７５２６４８７７（电子信箱）５６３９２７９１８＠ｑ
ｑ．ｃｏｍ；
通信作者，张涛（１９８９－），男，甘肃庆阳人，在读硕士研究生，主要从事农业机
械和农业设施结构研究，（电话）１５２９４２０５０１８
（电子信箱）４４６８２４３６７＠ｑｑ．ｃｏｍ。

仿真设计、虚拟设计使得产品研发周期大大缩短，极大地节省了人力、物力，设计柔性
化大大增强，这也是现在机械行业发展的必然要求。

压面机作为一种常用炊具机械，近年来，随着中国炊具机械行业的迅速发展以及人们对食品产业日益提高的需求，传统的产品开发模式已远不能适应现代市场的发展。

目前关于新型压面机的设计开发很多［１－１１］，但鲜见关
于压面机整体结构和压面时压辊和面团受力分析以及压面效果的报道。

为此，针对压面机这一常用炊具机械，从实际工作需求着手，依托三维建模、仿真及虚拟
技术，设计开发了一种新型压面机压辊，并对压面机压面过程进行仿真。

以ＡＢＡＱＵＳ软件
为平台，建立新型压面机压辊的三维模型，通过ＡＢＡＱＵＳ软件的后处理模块改变参数设置，观察面团的受力变化、变形延压效果等，分析压辊对压面过程的影响，将虚拟样机及仿真技术
应用于新型压面机设计。

１压面机设计原理及三维图
１．１压辊的延压原理
压片机构通过两个压辊的相对回转，面团在摩擦力和压力的作用下在辊隙中挤压延伸，由
于辊的间隙逐渐减小，压力和剪切作用逐渐加强，已完成面料在脱离压辊后延展成厚薄均匀的
面片。

压辊的延压原理图如图１所示。

对面团导入力学条件进行分析，设Ｐ为压辊对物料产生的径向力，Ｔ为面料受到的摩擦力，φ为面料和压辊的摩擦角，α为导入角即压辊在接触变形区对应压辊的中心角，ｆ为摩擦系数，h１和h２为面团导入前后的厚度。

面团导入辊隙的力学条件是Ｔｘ≥Ｐｘ，分析后得到
α≥（h１－h２）／１－ｆ，由此可得知，面团的厚度变化较小或摩擦系数较大时，面团更易
导入压辊中。

１．２压面机三维图及平面图
利用游标卡尺对现有的普通压面机进行精确测量，根据尺寸数据绘制草图，然后用ＣＡＤ
软件进行整体俯视图、左视图、主视图的绘制，为了能够直观地改善和优化普通压面机的结构，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ对其进行三维实体模型建模，压面机平面图和三维图如图２和图３
所示。

２压辊和面团模型的建立及材料特性
按照实际模型的大体几何尺寸创建压辊、面团等几何模型，定义压辊为三维解析性旋转刚体，大约尺寸为６００ cｍ３；面块作为三维可变性拉伸物体，面团模型的形状没有一定的标准，这里作为椭圆形的饼来处理。

面团的材料属性比较复杂，是一种典型的生物高分子黏弹性材料，因此把面团当作弹塑性材料来处理，并定义其大体密度为８００ｋｇ／ｍ３，弹性模量为１００ＭPａ，泊松比为０．３［１２］；根据模拟计算的要求及实际加工受力，采用Ｃ３Ｄ８Ｒ单元即三维八节点六面体缩减积分单元。

压辊的模拟中给它指定一定的速度，即给面团一个小的进给速度保证压辊与面团的接触。

旋压过程是高度非线性问题，要分析接触前后物体间的相互作用，产生接触的物体满足无穿透条件，选择合适的主从及摩擦关系。

压辊与面团的装配图和面团的有限元模型如图４和图５。

３仿真分析结果
３．１不同转速的压辊压面效果
分别取压辊转速为５０、７５ｒ／ｍｉｎ，通过对比不同转速的压面效果，选择合适的配置。

图６中ａ~ｆ分别代表转速在５０ｒ／ｍｉｎ和７５ｒ／ｍｉｎ时面团的内能曲线、动能曲线和云图。

图6中a、b、c、d分别表示不同转速时压轴所具有的内能和动能，反映压面机对面团的挤压效果，但从图６可以看出，通过改变转速面团的内能曲线变化并不明显，动能曲线变化也不明显，总体上转速在５０ｒ／ｍｉｎ时面团的内能、动能稍优于７５ｒ／ｍｉｎ转速的。

随着时间的延长面团的动能呈抛物线递增，这是因为面团上的节点一直在做加速运动。

从图6中应力云图e和d可以看出不同压辊转速时面团的应力集中区域，能更加直观地反映不用转速时面团被挤压的效果，其中颜色深的区域越大说明应力集中越大，因此产生的面团更有筋道。

压辊转速的变化只是影响进出面的效率，面团的形变基本一样，实际中压辊的转速要配合电机、面团进入速度和效率、出面装置、噪音、安全等因素，所以要选择合适的转速。

３．２相同转速下不同直径压辊压面效果
相同转速下不同直径压辊的压面效果见图７。

图７中ａ~ｆ分别代表压辊直径为１１８ mｍ和１４０ mｍ时面团的内能曲线、动能曲线和云图。

从图７中ａ、ｂ、ｃ、ｄ可以看出，面团的内能和动能曲线大体相同，动能和内能曲线只
是ＡＢＡＱＵＳ的产物，直径对于面团变化的影响并不能清楚地看出来。

从图７中ｅ和ｆ可以
明显看出，同样的面团与压辊的接触面积不同，压辊直径为１４０ mｍ时与面团的接触更多，
如果追踪面团上的一个点，很容易看到该点较直径为１１８ mｍ的点能获得更长时间的挤压，
或者说持续挤压使得面团更硬。

图８中面团受到压辊的挤压而产生应力集中区域，其中颜色由
深到浅分别代表最大应力、第二应力、最小应力。

从图８可以看出，由于直径１４０ mｍ的压
辊压面过程中与面团接触多，面团的受力区域大，更易排出面团中的空气得到致密的面筋组织，面筋更筋道。

４小结
试验结果表明，新型压面机压辊转速在５０ｒ／ｍｉｎ时面团的内能、动能稍优于７５
ｒ／ｍｉｎ转速的，压辊转速的变化只是影响进出面的效率，面团的形变基本是一样的。

压辊
直径为１４０ mｍ时压辊与面团的接触更多，如果追踪面团上的一个点，很容易看到该点较直
径为１１８ mｍ的点能获得更长时间的挤压，或者说持续挤压使得面团这种材料的物质更硬，
面更有筋道。

虚拟样机仿真技术可以有效缩短设计周期，利用ＡＢＡＱＵＳ仿真压辊的压面效果能够为
压面机整体设计提供参考。

参考文献：
［１］刘克福，李晓虹．多用压面机设计与研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（３）：３２－３４．
［２］姜英，王友林．压面机辊轴断口的观察与分析［Ｊ］．食品与机械，２００５，２１（５）：２４－２５．
［３］姜英，王友林，冯柳．压面机辊轴断口的微观形貌特征［Ｊ］．机械与设计，２００６，２２（６）：８９－９０，１０６．
［４］陈春燕．压面机压辊相关技术［Ｊ］．粮食加工，２００６（４）：５３－５４．
［５］曾俊．压面机多用切面刀装置［Ｐ］．中国：ＣＮ８８２０６３２５．１，１
９８９－０１－１１．
［６］刘克福，李晓虹．多用压面机设计新思路［Ｊ］．粮食加工，２００８，３３（２）：５９－６０．
［７］吴静，葛立．压面机新用途的改进设计［Ｊ］．湖南农机，２００３（２）：１４－１５．
［８］葛立．压面机的改造及新用途的探索［Ｊ］．农业推广与安全，２００３（２）：１１－１２．
［９］张裕中，藏其梅．食品加工技术装备［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社，２００７．
［１０］吴连生．失效分析技术［Ｍ］．重庆：四川科学技术出版社，１９８５．
［１１］廖景娱．金属构件失效分析［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．
［１２］朱张校．工程材料［Ｍ］．第三版．北京：清华大学出版社，２００１．。