新型压面机压辊压面

摘要
市场竞争的不断加剧使得产品开发周期和综合性能日益成为最关键之要素，而压面机作为我国传统食品机械行业最广泛应用的食品加工机械之一，却由于新产品开发周期长，压辊的成本高等因素，使产品更新缓慢甚至停滞不前，这与瞬息万变的现代柔性化市场显然背道而驰，仿真、虚拟设计等关键技术的日臻成熟完善为解决这些问题提供了思路和方法。

本文主要针对压面机这一常用炊具机械，从实际工作需求分析着手，针对现有产品中成本高，设计复杂等关键技术问题，依托三维建模，仿真及虚拟技术，设计开发一种新型压面机压辊并对压面过程进行仿真，旨在满足市场需求，推动企业创新步伐。

为此，本文主要进行了如下五方面研究：
一、首先简单介绍了虚拟样机及仿真技术的基本理论，回顾了国内外在此方面的研究
现状和发展趋势，论证了将虚拟样机及仿真技术应用于新型压面机设计的可行性及必要性。

二、对压面机的执行部分压辊进行分析，考虑不同的条件下压面过程的改变，并对面
团在压辊中的受力进行分析。

三、以ABAQUS软件为平台，建立新型压面机压辊的三维模型，然后对面团进行模拟建
模，在进行虚拟的装配添加约束条件，建立压面过程的模型。

四、通过ABAQUS软件的后处理模块对设置的参数进行改变看面团的受力变化，变形延
压效果等。

分析压辊对压面过程的影响。

五、对课题进行总结并指出进一步研究思路。

关键字：虚拟样机压面机参数化建模仿真
ABSTRACT
Market competition intensifies unceasingly，which makes the product development cycle and the synthetic performance become the most essential factors day by day. But as one of widely used food machinery, dough pressuring machine renews slowly and even bogs down because of the long development cycle and the high cost and so on. Obviously, it runs against with the fast changing market. Recently, simulation and virtual design technology have becoming perfect gradually, which provide a train of thought and a way to solve these problems.
Aim at the dough pressuring machine－one of widely used food machinery,. Beginning from the practical work demand analysis, in view of the key technical matters of existing product insufficiency, this paper is intended to design and develop a kind of new dough pressuring machine and then optimize the machine, the purpose of this paper is to satisfy the market demand and impel the step of enterprise innovation.
Therefore, this paper mainly carried on the following five aspects to study:
Firstly, elementary theory about simulation and virtual prototype technology was introduced; the present situation and prospect in these fields were reviewed; the feasibility and the necessity of this subject were proved also.
Secondly, take analysis to the dough pressuring machine’s implementation part of rolls,taking into account different conditions of the process of change in pressure,and roll dough in furce in the analysis.
Thirdly, taking three-dimensional modeling software ABAQUS as platform, the 3D models of rolls. And then simulation modeling dough ,add the assembly in the virtual condition, the establishment of the model surface pressure.
Fourthly, through the ABAQUS software of the visualization module to change the parameters set to see changes such as deformation of the extension in the effect of pressure. Analysis hao the rolls effect the process of the pressure doughsurface.
Finally, this paper gave a summarization of the subject and pointed out the direction of further study.
Key character：virtual prototype；dough kneading machine；parameter modeling；
simulation
第一章课题的提出及工作方案的制定
1.1 课题研究背景及意义
仿真技术是以控制理论、相似原理、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性技术。

其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。

它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力，是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。

据最新的统计资料表明，计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一。

工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求[4]。

仿真设计、虚拟设计的提出和发展，使得产品研发周期大大缩减，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。

而压面机作为一种常用炊具机械，近年来，随着我国炊具机械行业的迅速发展以及人们对食品产业不断扩大、日益提高的需求，笨重的结构、高昂的成本以及传统的产品开发模式已经远远不能适应现代柔性化的市场，结构轻便、高效环保、使用并维护方便的新型压面机的设计开发必要而又重要。

作为压面机的关键部件轧辊的设计尤为关键。

此课题正是在分析现有常用压面机压面情况，依托仿真及虚拟技术，研究一种新型压面机辊，以满足市场需求，推动企业创新步伐。

1.2 压面机压辊的设计分析
1.2.1 新型压面机虚拟轧辊建模
以ABAQUS软件为平台对轧辊进行基本建模并进行虚拟装配。

1.2.2 新型压面机压辊压面的有限元分析
由于压面机轧辊成本较高，对其压面情况及面团的变化进行分析以选择合理的直径和转速提高效率节约成本。

利用ABAQUS软件进行压面过程的有限元分析，观察面团力线图，分析受力情况。

根据受力得出设计方案的优劣，优化设计结果。

1.3 本章小结
本章讨论了课题研究的背景及意义，及基本的课题内容。

第二章相关研究概论
2.1 压面机等炊具机械的发展现状及前景
食品工业在国民经济中历来占有举足轻重的地位,是国民经济的支柱产业之一。

在食品工业中,为之提供加工设备的属食品机械工业,其在日常生活中占据重要地位,涉
及到千家万户。

食品机械是社会上使用频率最高的机械设备之一,其各项使用指标及内在、外在质量对人们日常生活都将产生重要影响。

压面机是面条加工机械中的一种关键设备。

它的的功能是将和面机中混合均匀的面粉经过多次轧辊的轧压，碾压后制成一条质地均匀的面片，供下到工序切片。

在压面设备中连续压片机和复合压片机的压辊是关键部件，它对提高产品的产量和质量起至关重要的作用，它通过压辊对面团压力和摩擦力的综合作用对面片进行拉伸，挤压，使面片的空气排出进而使里面的组织结构更加致密均匀的融合在一起。

在当今信息时代,计算机已深入到各行各业,其应用日趋广泛。

食品机械的设计开发手段也由原来的以凭借经验、手工绘制为主逐渐向利用计算机进行精确细致的理性分析转变。

要利用计算机进行设计分析计算,首先必须将机械的有关造型准确地在计算机上生成,然后模拟工作,进行产品的动力学分析。

2.2.ABAQUS产品简单介绍
有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元分析可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就工程设计进行评判，对各种工程事故进行技术分析。

有限元分析实现的最后载体是经过技术集成的有限元分析软件，在众多的有限元分析软件，ABAQUS 以其先进的非线性分析技术和卓越的分析性能，以成为分析工程技术问题的首选软件。

ABAQUS是美国ABAQUS公司的产品。

ABAQUS公司总部设在罗得岛州普罗维登斯市，成立于1978年现已发展成世界知名有限元软件公司，在北美欧洲亚太地区有40多个分公司和代表处。

2005年5月ABAQUS公司与世界知名的在产品生命周期管理软件方面拥有先进经验的达索合并，并将共同开发新一代软件分析平台，也标志着制造业统一有限元时代的来临。

ABAQUS是一套功能强大的进行工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性分析问题。

ABAQUS包括一个丰富的可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属橡胶高分子材料，复合材料，钢筋混凝土，可压缩泡沫超弹性材料以及土壤和岩石等地质材料。

作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量机构（应力位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，如热传导，质量扩散，热电耦合分析，声学分析，岩土力学分析及压电介质分析。

ABAQUS被认为是功能最强的有限元分析软
件之一，可以分析复杂的固体力学，结构力学系统特别是能驾驭非常庞大复杂的问题和高度非线性问题。

由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS 广泛应用于世界各国的工业生产和研究设计中。

2.3有限元分析
2．3.1有限元分析的思想
假象把连续系统分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点（节点）处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。

在节点上引进等效载荷（或边界条件）来代替实际作用于系统上的外载荷。

然后对每个单元有分块近似的思想，按一定的规则建立求知未解量和节点相互作用之间的关系，最后把所有单元的特性关系按一定的条件，集合起来引入边界条件，构成一组以节点变量为未知量的代数方程组求解就得到有限个节点的带求变量。

所以有限元分析的实质就是把具有无限个自由度的连续系统，理想为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合数值求解的结构型问题。

显然节点有限，单元数目也有限。

有限元分析是物理现象的模拟，是对真实情况的数值近视通过对分析对象划分网格，把具有无限个自由度的连续系统离散成只有有限个自由度的单元集合体，通过求解有限个数值来近视模拟真实环境的无限个未知量。

2.3.2有限元分析的步骤：
1 问题及求解域定义根据物理性质近视确定求解域的物理性质和集合区域。

2 求解域离散化将求解域近视为有限大小和形状，且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上成为有限元网格划分。

3 确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量的微分方程式表示。

为适合有限元求解通常把微分方程化成等价的泛函形式。

4 单元推导对单元构造一个合适的近视解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合适的单元坐标系建立单元函数以某种方法给出单元状态的离散关系从而形成许多单元矩阵。

5 矩阵总装将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近视求解域的离散域的要求。

总装是在相邻单元节点进行，状态变量及导数连续性建立在节点处。

6 联立方程组求解和结果解释。

2.4 ABAQUS/CAE简介
2.4.1 ABAQUS/CAE界面
ABAQUS/CAE是ABAQUS人机交互处理模块，该模块提供了广泛的建模环境和ABAQUS 大部分的分析功能。

ABAQUS/CAE的主窗口如图2-1所示包括以下几个组成部分：
图2-1 ABAQUS界面
1 模型树（model tree）模型树直观的显示模型各个组成部分。

通过模型树可以对模型进行操作使你可以方便的在个模块间切换，实现菜单和工具箱大部分功能。

2 标题栏（title bar）显示ABAQUS/CAE的版本和当前数据库的名称。

3 环境栏（context bar）包括一系列功能模块。

每个模块完成有限元模型的特定功能，并实现不同模块的切换。

4 菜单栏(menu bar) 菜单栏包含所有当前可以使用的菜单，不同的功能模块菜单栏的内容有不同的变化。

5 图形窗口(viewport) 显示用户模型的窗口
6 工具栏(tool bar) 菜单功能的快捷使用方式
7 工具箱(toolbox area) 当前模块使用频繁的工具，也可以通过模型树来实现。

8 提示区(prompt area) 各种操作的提示信息。

9 信息区或命令行界面(message area or command line intertace) 显示当前操作的信息和警告。

或切换命令行接口执行特定命令。

10 画布作图区(canvas and drawing area) 布置图形窗口。

2.4.2 ABAQUS/CAE各功能模块
1 在PART模块可以创建几何部件创建部件时采用一系列特征，包括拉伸，旋转，扫掠，放样，切除。

而且可以对部件进行删除，复制，编辑等操作。

2 ABAQUS/CAE提供了丰富的材料模型，除了常规的金属塑性材料外，还能有效的模拟高分子材料，复合材料，岩石等特殊材料。

还允许用户自己用别的程序自己定义材料模型。

3ABAQUS/CAE装配模块用户可以用PART模块的部件，组装成一个装配体。

用户可以生成把部件生成实例统一于整体坐标系进行组装定位。

4 分析步模块用户可以在STEP中定义一系列分析步，控制求解过程改变输入输出数据，控制求解过程等操作。

5 交互模块可以指定个部件的相互接触和约束关系。

6 LOAD模块可以指定载荷，边界条件等状况，但注意选择合适的分析步。

7 MESH模块对部件划分网格，定义单元形状，类型，布置种子等操作。

8 JOB模块作业的建立，编辑，提交等操作。

9 VISUALIZATION模块后处理模块显示分析结果包括动画，曲线，云图等内容。

2．5 ABAQUS的主要模块
1 ABAQUS/CAE AQABAQUS/CAE是交互式图形环境，利用它能够快速有效地创建，编辑，监控，诊断和后处理先进的ABAQUS分析。

ABAQUS/CAE将建模，分析，工作管理以及结果显示集成于一个一致的，使用方便的环境中，使得初学者易于学习，经验丰富的用户效率会更高。

ABAQUS/CAE提供了一个广泛全面的有限元建模交互环境，将各种功能集成在模块及工具箱中，用户界面具有互动性，一致性和直观性。

同时还提供最好的ABAQUS求解器的支持，ABAQUS用户所熟悉的ABAQUS求解器的概念，如分析步，接触和摩擦，截面特性，材料和幅值曲线等在用户界面中都非常直观。

另外，通过便利的工具可以检测分析过程，通过一系列完整的结果可视化功能，能够方便的生成，
解释和交流分析结果。

2ABAQUS/STANDARD ABAQUS/STANDARD是一个通用分析模块，能够求解领域广泛的线性非线性问题，包括静力，动力，热，电，声以及复杂的非线性物理场耦合分析等。

ABAQUS/STANDARD提供了动态载荷平衡的并行稀疏矩阵求解器，实现多达16个处理器的并行运算，可以应用于各种类型的分析。

ABAQUS/STANDARD还提供了一个并行的LANCZOS特征值求解器，在大规模模型中可以快速有效地提取多阶特征值，是线性动力学分析的重要工具，包括瞬态响应，谐波响应，随机响应地震响应谱分析。

3ABAQUS/EXPLICIT ABAQUS/EXPLICIT是可以进行显示动态分析，适用于求解非线性动力学问题和准静态问题，特别是模拟短暂瞬时的动态问题，如跌落，爆炸，冲击等。

另外处于处理接触高度非线性的准静态问题也非常有效，如模拟制造过程和能量吸收装置的缓慢挤压过程等。

ABAQUS/EXPLICIT可以实现基于域分解的并行运算，可以使用子模型技术，在大变形中可以使用自适应网格技术来避免求解过程的网格畸变，保证求解的顺利进行。

2．6 ABAQUS中约定的符号
每种软件在顺利运行中都有自己的一套变量，符号，表示值等方面的约束。

因此使用软件前要对这种要求注意，下面简单介绍ABAQUS中的符号。

1 自由度符号默认情况下ABAQUS是以1，2，3等数字表示自由度的标示符，在.inp 文件中只能以它们表示自由度。

2 坐标系符号 ABAQUS采用的基本坐标系是直角坐标系，方向遵循右手法则。

为了便于分析，用户可以自行定义局部坐标系，以便于建模定义材料，载荷，变量输出等。

3 单位符号 ABAQUS没有单位的概念，它仅仅通过有限元方法对矩阵进行数学运算而得到结果，理论上没有什么物理意义。

但人为地赋予物理意义以及物理定理的数学表示从而使ABAQUS求解出有意义的结果，由此看来用户对数据变量的主观把握是重要的，单位的一致性可以保证结果的正确。

4 时间单位 ABAQUS有两种时间计法，一种是步时间，一种是总分析时间，除线性扰动外步时间是从每个分析步开始计算，而总分析时间是所有分析步的时间积累。

2．7本章小结
本章开始介绍了压面机的现状，而后对有限元分析和ABAQUS软件进行简单的介绍，对该软件的用途有个基本的了解和认识。

第三章压面机压辊设计分析
3.1 压面机压辊的相关技术
3.1.1 压辊的延压原理
压片机构是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。

3.1.2 压辊外径尺寸大小
合理选用压辊的外径尺寸对降低能耗提高产品质量有很大的关系。

将面团压制成面片需要耗用很大的功率，一般选用较大的压辊直径约为120cm左右，转速一般较慢50r/min。

压辊的直径大相对的延压时间长些，施加的压力也较平缓，有利于面片的变形对提高面片的质量如弹性，光滑度，对口感有很好的改善作用。

3.1.3 压辊的材料
原来采用普通铸铁，由于压辊尺寸较大，铸件常出现宿孔和疏松。

而且硬度不够，磨损较严重，面片很容易粘在压辊上。

由于压辊在装配时它的直径大小是配合平衡齿轮的中心距的，可调节的范围是比较小的，所以当出现以上问题是压辊就无法使用造成浪费。

同时面团中含有盐，碱，及一些添加剂对压辊有一定的腐蚀性减少了压辊的寿命。

通过多次试验采用球墨铸铁作为压辊材料，铸造加工问题得到了解决，而且压辊有了足够的刚度。

压辊表面经调质后能达到很高的硬度和光滑度，大大提高了压辊的质量。

随着科技发展，新材料逐渐应用到压辊表面，大大调高了压辊的表面硬度和光滑度。

3.2. 面团导入力学条件分析
图3-1 1，3 压辊 2 面团
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摩擦系数，H1和H2为面团的导入前后的厚度。

面团导入辊隙的力学条件是Tx≥Px，分析后得到α≥(H1-H2)/1-f
由此可知当，面团的厚度变化较小，或者摩擦系数较大时，面团更易导入压辊中。

3.3 本章小结
本章首先研究了压面机压辊的相关技术而后分析了面团在压辊中的受力变化等问题。

第四章压面机压辊压面过程建模
4.1 压辊压面过程问题分析
根据加工的实际情况和有限元分析的特点，使用ABAQUS进行模拟加工需要重点考虑以下方面的问题：
1 几何模型的建立按照实际模型的大体集合尺寸，创建压辊，面团等几何模型。

2 网格的划分按照模拟计算的要求，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。

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

4 接触分析旋压过程是高度非线性问题，要分析接触前后的物体间的相互作用，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。

5 材料属性对于面团，其性能有弹性，塑性，流动性，粘性和延伸性，其成分是淀粉和面筋蛋白，是一种典型的生物高分子黏弹性材料，这里仅把其当做弹塑性材料处理，重点来模拟这一过程。

4.2 ABAQUS/CAE建模流程简介
4.2.1 部件模块(PART)
1 压辊的建模
点击进入图4-2-1所示的对话框，定义压辊为三维解析性旋转刚体，大约尺
寸为600，点击继续进入作图区，点击创建，始点坐标为（53，169），终点坐标为（59，-169），点击鼠标中键，作出压辊图如图4-2-2所示，点击菜单栏PART进入部件管理对话框，复制压辊，如图4-2-3对于刚才创建的压辊定义其参考点，外表面，按照提示区的指示操作即可。

图4-2-1 创建压辊图4-2-2 压辊
图4-2-3 压辊的复制
2 面块的创建
方法类似于压辊的建模，但不同的是基本属性不一样，如图4-2-4，面块作为三维可变性拉伸物体，面团模型的形状没有一定得标准，这里作为椭圆形的饼来处理如图
图4-2-4 面团的模型
4.2.2 属性模块（PROPERTY）
图4-2-5 面团属性
面团的材料属性比较复杂，而ABAQUS对数值特别敏感，因此把面团仅看作弹塑性材料
来处理，并定义其大体密度。

这里定义面团的密度为800KG/M3，弹性模量为100，泊松比为0.3如图4-2-5对材料创建完属性后，点击创建截面属性为均匀实体，然后点击把截面属性分配给面团，在ABAQUS里必须先创建截面在分配。

4.2.3 装配模块（ASSEMBLY）
在该模块对面团和压辊进行装配，首先创建实例，将它们统一于同一坐标系里，然后进行装配处理，定位他们在坐标系里的位置，由于压辊是不可变形的刚体所以装配
模块比较简单，应用进行调整即可，注意面团于压辊的间距很重要，和保证合适的位置，否则后续处理中会产生过接触，或不接触，位置调整比较麻烦，需要不断的尝试。

这里压辊间距为20CM，面团的厚度为40CM。

装配完的图形如图4-2-6所示
图4-2-6 装配后模型
4.2.4分析步模块（STEP）
这步主要是是创建分析步，选择合适的分析步对问题的分析很关键，由于解决得旋压问题，选择动态，显式分析步（DYNAMIC，EXPLCIT）压面过程比较简单所以，仅建
立一个分析步就能解决问题。

如图所示，在该步中可以完成场变量输出变量和历史输出变量的修改，还可以根据结果调整时间间隔，以便能够获得合理的结果。

这里把场变量中的时间间隔（interval）设为200这样更容易观察面团变化。

4.2.5交互模块（INTERNCTION）
在该模块主要是创建，压辊和面团的接触属性，定义面团和压辊之间的属性为接触，
图4-2-7 接触属性的定义
由受力分析，选择切向行为，罚函数，定义摩擦系数0.3，以及具有法向属性压力。

然后分配接触如图4-2-7选择类型为面面接触，主面为压辊的刚性面，从面为面团的左面，在视图区会以不同的颜色标注出来，如图4-2-8接触公式选择动力学公式，滑移公式为有限滑移，这些多是根据压面过程的特点确定的类型。

除了定义接触属性外，
还要创建刚体约束，主要是保证压辊面和选择的参考点一起运动，而我们就可以只关心参考点。

这样分别创建两个压辊的刚性约束。

图4-2-8 压辊和面团接触关系
4.2.5载荷模块（LOAD）
通过这步就可以创建边界条件，以及开始施加的约束，不同的条件要在不同的分析步中创建，如图4-2-9
图4-2-9 压辊速度的创建图4-2-10 压辊速度施加通过图4-2-10可以对压辊施加速度，注意旋转速度是用弧度时间表示的。

然后就是对面团施加一个初始的速度，这不仅与实际相符，更重要的是在开始ABAQUS是不认。