基于Workbench的榨汁机刀盘有限元分析

曾有鑫 李金宽 罗飙

摘 要：本文提出一种新型榨汁机刀盘，利用三维绘图软件Pro/E建立该新型榨汁机刀盘的三维模型，并运用有限元分析软件ANSYS Workbench对该新型榨汁机刀盘进行有限元分析，得出不同载荷下的整体变形云图和等效应力云图。结果表明，榨汁机刀盘的最大变形发生在与安装孔对应的边缘刀片的外缘，应力较大部分集中在安装孔周围，为高效率榨汁机的设计及优化提供参考。

关键词：刀盘；榨汁机；ANSYS Workbench；有限元分析

1 前言

近年来，随着人们生活水平的普遍提高，对自身身体健康越来越重视，对饮食营养均衡性的要求越来越高，更加注重对果蔬类营养的摄取，人们更喜欢新鲜而可口的纯果汁[1]，榨汁机不仅能够给人们提供丰富多样的果蔬营养，并且为人们带来了自制食品饮料的乐趣[2]。

目前市场上的榨汁机种类繁多，刀盘式榨汁机由于果汁与果肉纤维保留完整而受到市场青睐[3]。传统榨汁机的刀盘在工作时果料无法充分粉碎，导致出汁率不高，效率低，而且还影响果汁的口感。针对传统榨汁机刀盘的不足，笔者提出了一种新型榨汁机刀盘[4]。本文对该榨汁机刀盘进行有限元分析，得出不同载荷下的整体变形云图和等效应力云图，为生产高效率的榨汁机提供参考。

2 榨汁机刀盘的工作原理

利用三维绘图软件Pro/E[5]建立该榨汁机刀盘的三维模型，如图1所示。该榨汁机刀盘包括共同的刀盘本体、刀片和细齿刀片，其中刀片均匀分布在刀盘本体外缘，刀片与刀盘本体在二者连接处形成30°扭角，细齿刀片附着在刀盘本体表面。

3 榨汁机刀盘有限元分析模型

将Pro/E建立的该榨汁机刀盘的三维模型导入ANSYS Workbench[6]中，建立刀盘的有限元模型，如图2所示。定义刀盘的材料为不锈钢，其材料性能：弹性模量E=193，密度ρ=7.85×10-3 kg/mm3，泊松比μ=0.29。网格划分时采用ANSYS Workbench板壳单元Shell 63对刀盘进行自由网格划分，设置网格尺寸为3 mm。边界条件为对刀盘安装孔内侧节点施加全约束。

4 榨汁机刀盘有限元分析

利用ANSYS Workbench对榨汁机刀盘进行了变形及应力分析。榨汁机刀盘的变形和应力云图如图所示。当施加载荷为250N·m时的整体变形云图如图3（a）所示，榨汁机刀盘的最大变形值为8.0085×10-4mm，等效应力云图如图3（b）所示，最大等效应力值为10.822Mpa。

当施加载荷为350N·m时，整体变形云图如图4（a）所示，榨汁机刀盘的最大变形值为1.121 2×10-3 mm，等效应力云图如图4（b）所示，最大等效应力值为15.15 Mpa。

当施加载荷为450N·m时，整体变形云图如图5（a）所示，榨汁机刀盘的最大变形值为1.4415×10-3mm，等效应力云图如图5（b）所示，最大等效应力值为19.479Mpa。

5 结论

（1）从整个榨汁机刀盘的整体变形的分布情况可以看出，变形量从刀盘中心向外逐渐增大，且最大变形发生在与安装孔对应的边缘刀片的外缘，且随着载荷的增大，刀盘的变形量也增大。

（2）从整个榨汁机刀盘的等效应力的分布情况可以看出，应力较大部分集中在安装孔周围，在刀盘的外缘和中心位置较小；且随着载荷的增大，刀盘上承担的应力增大。

（3）利用ANSYS Workbench软件对榨汁机刀盘进行模拟仿真，得出刀盘承载状态下的变形和应变分布，从仿真结果可知材料的许用应力满足要求，结构可靠，为刀盘正常工作提供理论依据，为设计制造高效率榨汁机提供理论基础。

参考文献

[1]叶兴乾.果品蔬菜加工工艺学[M].北京：中国农业出版社，2002.

[2]Xiaowei Jiang.Design and Research on Multi-function Juice Extractor[J].Advance Journal of Food Science and Technology，2014，6（6）：774-779.

[3]陈荣，肖桂香，李希宏.基于Fluent的榨汁机流场模拟及优化 [J].机电技术，2013，（3）：41.

[4]李金宽.一种果蔬榨汁机用刀具[P].中国专利，CN201420707349.4，2014.

[5]Riming Zhong.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 From entry to the master（Second Edition）[M].Machinery Industry Press，2012.

[6]Bing Li.ANSYS Workbench Design，simulation and optimization（Third Edition）[M].Tsinghua University Press，2013.

（作者单位：西华大学 机械工程学院）