基于ABAQUS的壓面機(jī)壓輥有限元分析

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

關(guān)鍵詞：壓面機(jī)；虛擬樣機(jī)；SolidWorks三維建模；ABAQUS仿真分析

中圖分類號：TS211.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品研發(fā)周期大大縮短， 極大地節(jié)省了人力、物力， 設(shè)計(jì)柔性化大大增強(qiáng)， 這也是現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然要求。壓面機(jī)作為一種常用炊具機(jī)械， 近年來， 隨著中國炊具機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對食品產(chǎn)業(yè)日益提高的需求， 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代市場的發(fā)展。目前關(guān)于新型壓面機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)很多[1-11]，但鮮見關(guān)于壓面機(jī)整體結(jié)構(gòu)和壓面時壓輥和面團(tuán)受力分析以及壓面效果的報(bào)道。

為此，針對壓面機(jī)這一常用炊具機(jī)械，從實(shí)際工作需求著手，依托三維建模、仿真及虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型壓面機(jī)壓輥，并對壓面機(jī)壓面過程進(jìn)行仿真。以ABAQUS軟件為平臺，建立新型壓面機(jī)壓輥的三維模型，通過ABAQUS軟件的后處理模塊改變參數(shù)設(shè)置，觀察面團(tuán)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(jī)及仿真技術(shù)應(yīng)用于新型壓面機(jī)設(shè)計(jì)。

1 壓面機(jī)設(shè)計(jì)原理及三維圖

1.1 壓輥的延壓原理

壓片機(jī)構(gòu)通過兩個壓輥的相對回轉(zhuǎn)，面團(tuán)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(qiáng)，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(tuán)導(dǎo)入力學(xué)條件進(jìn)行分析，設(shè)P為壓輥對物料產(chǎn)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(dǎo)入角即壓輥在接觸變形區(qū)對應(yīng)壓輥的中心角， f為摩擦系數(shù)，h1和h2為面團(tuán)導(dǎo)入前后的厚度。面團(tuán)導(dǎo)入輥隙的力學(xué)條件是Tx≥Px，分析后得到α≥（h1-h2）/1-f，由此可得知，面團(tuán)的厚度變化較小或摩擦系數(shù)較大時，面團(tuán)更易導(dǎo)入壓輥中。

1.2 壓面機(jī)三維圖及平面圖

利用游標(biāo)卡尺對現(xiàn)有的普通壓面機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)的結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks對其進(jìn)行三維實(shí)體模型建模，壓面機(jī)平面圖和三維圖如圖2和圖3所示。

2 壓輥和面團(tuán)模型的建立及材料特性

按照實(shí)際模型的大體幾何尺寸創(chuàng)建壓輥、面團(tuán)等幾何模型，定義壓輥為三維解析性旋轉(zhuǎn)剛體，大約尺寸為600 cm3；面塊作為三維可變性拉伸物體，面團(tuán)模型的形狀沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)，這里作為橢圓形的餅來處理。面團(tuán)的材料屬性比較復(fù)雜，是一種典型的生物高分子黏彈性材料，因此把面團(tuán)當(dāng)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(jì)算的要求及實(shí)際加工受力，采用C3D8R單元即三維八節(jié)點(diǎn)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(tuán)一個小的進(jìn)給速度保證壓輥與面團(tuán)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(chǎn)生接觸的物體滿足無穿透條件，選擇合適的主從及摩擦關(guān)系。壓輥與面團(tuán)的裝配圖和面團(tuán)的有限元模型如圖4和圖5。

3 仿真分析結(jié)果

3.1 不同轉(zhuǎn)速的壓輥壓面效果

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

圖6中a、b、c、d分別表示不同轉(zhuǎn)速時壓軸所具有的內(nèi)能和動能，反映壓面機(jī)對面團(tuán)的擠壓效果，但從圖6可以看出， 通過改變轉(zhuǎn)速面團(tuán)的內(nèi)能曲線變化并不明顯，動能曲線變化也不明顯，總體上轉(zhuǎn)速在50 r/min時面團(tuán)的內(nèi)能、動能稍優(yōu)于75 r/min轉(zhuǎn)速的。隨著時間的延長面團(tuán)的動能呈拋物線遞增，這是因?yàn)槊鎴F(tuán)上的節(jié)點(diǎn)一直在做加速運(yùn)動。從圖6中應(yīng)力云圖e和d可以看出不同壓輥轉(zhuǎn)速時面團(tuán)的應(yīng)力集中區(qū)域，能更加直觀地反映不用轉(zhuǎn)速時面團(tuán)被擠壓的效果，其中顏色深的區(qū)域越大說明應(yīng)力集中越大，因此產(chǎn)生的面團(tuán)更有筋道。壓輥轉(zhuǎn)速的變化只是影響進(jìn)出面的效率，面團(tuán)的形變基本一樣，實(shí)際中壓輥的轉(zhuǎn)速要配合電機(jī)、面團(tuán)進(jìn)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(zhuǎn)速。

3.2 相同轉(zhuǎn)速下不同直徑壓輥壓面效果

相同轉(zhuǎn)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(tuán)的內(nèi)能曲線、動能曲線和云圖。

從圖7中a、b、c、d可以看出，面團(tuán)的內(nèi)能和動能曲線大體相同，動能和內(nèi)能曲線只是ABAQUS的產(chǎn)物，直徑對于面團(tuán)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(tuán)與壓輥的接觸面積不同，壓輥直徑為140 mm時與面團(tuán)的接觸更多，如果追蹤面團(tuán)上的一個點(diǎn)，很容易看到該點(diǎn)較直徑為118 mm的點(diǎn)能獲得更長時間的擠壓，或者說持續(xù)擠壓使得面團(tuán)更硬。圖8中面團(tuán)受到壓輥的擠壓而產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，其中顏色由深到淺分別代表最大應(yīng)力、第二應(yīng)力、最小應(yīng)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(tuán)接觸多，面團(tuán)的受力區(qū)域大，更易排出面團(tuán)中的空氣得到致密的面筋組織，面筋更筋道。

4 小結(jié)

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

虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)可以有效縮短設(shè)計(jì)周期，利用ABAQUS仿真壓輥的壓面效果能夠?yàn)閴好鏅C(jī)整體設(shè)計(jì)提供參考。

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