基于ABAQUS的甘蔗压榨提汁数值模拟研究

何　潇，黄悦峰

（广西制造系统与先进制造技术重点实验室广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

甘蔗压榨提汁是一个古老的行业，长期以来由于甘蔗压榨提汁过程涉及大应变、接触摩擦、强流固耦合等多种复杂的非线性问题，其理论模型难以构建，人们对甘蔗压榨提汁过程中榨辊的开口间隙、辊子直径等压榨机结构参数以及运行速度的选择只能凭生产经验进行选取[1]。而随着对甘蔗压榨提汁率要求越来越高、以及要求压榨能耗更低，单凭经验的设计压榨机很粗糙，已经不能满足现代制糖行业更加精细的要求。因此，必须要搞清甘蔗压榨提汁过程的排汁规律，及压榨机辊子直径、辊子速度、辊子开口间隙等与排汁的相关关系，根据规律对甘蔗压榨机进行设计。ABAQUS有限元软件在非线性和流固耦合领域的应用非常适用[2]，把压榨提汁过程中由撕蔗机破碎后的蔗料视为各向同性多孔介质，蔗汁在蔗料固体骨架中的流动满足达西定律，其物理过程和岩土的变形渗透非常类似，因此可以通过ABAQUS有限元软件对甘蔗压榨进行数值模拟仿真，在计算机上再现甘蔗压榨提汁过程可以研究无法通过实验检测观察到的蔗料内部的微观现象，对于深入认识甘蔗压榨提汁过程的排汁与辊子开口、辊子直径、辊子速度关系十分必要。

已有一些国内外研究者对甘蔗压榨提汁数值模拟进行了研究，如OWEN运用蔗料应力应变的平均值构建的本构模型 σ¯＝aε¯b以及蔗料固体骨架的平均弹性模量泊松比值对甘蔗压榨提汁进行了数值模拟[3，4]，研究了压力与压缩比的关系以及对比了多孔辊子和不可变形辊子压榨提汁的效果，分析了辊子速度与辊子直径与孔隙压力和辊子转矩的关系，Kannapiran采用更加符合蔗料实际的本构模型，Drucker-Prager Cap模型研究了辊子受力和力矩随压缩比的变化关系[5]，以及蔗汁的流动情况和蔗料的变形情况。但还少有对辊子直径、辊子速度、辊子开口间隙与排汁的关系的研究。

为此，本文参考前人对甘蔗压榨提汁过程中蔗料固体骨架的本够模型Drucker-Prager Cap模型参数、蔗汁渗透率参数，以及通过单轴侧限压压缩试验测得弹性模量泊松比参数，根据蔗料的压缩比在达到3的时候基本排出蔗汁的规律，将对压缩比到3的甘蔗压榨提汁过程进行了模拟研究，根据数值模拟分析了蔗层厚度、辊子直径、辊子速度对排汁的影响，为压榨机的设计提供科学依据。

由上可知，“工业为主”论对于“农业为主”论的立论依据“以农立国”论持否定态度，认为只有顺应世界经济发展趋势，发展工业，使中国走上工业化的道路，中国经济才有发展的可能。与之相应，发展生产教育应当以“工业为主”，强调工业为主，并非否定农业的价值，而是工业发展以后反哺农业，推动农业工业化。

1　甘蔗压榨提汁模型及数值参数

1.1　甘蔗压榨提汁模型

目前大部分糖厂使用三辊压榨机，其结构示意图如图1所示，主要构件包括顶辊、前辊、后辊和底梳。甘蔗纤维在压榨过程中的受力十分复杂，主要包括以下几种情况[6]：

在A区域甘蔗纤维受力状态包括正常固结、卸载和正常固结下的剪切；在B区域甘蔗纤维的受力状态通常包括超固结、卸载和超固结下的剪切。目前学者主要针对A区域甘蔗纤维的力学行为进行分析和建模，而且研究尚不充分。

图1　三辊压榨机示意图

三辊压榨机经过200多年的使用和改进，已逐步完善。但是仍然有一些固有的缺点，如底梳摩擦的存在，前后辊开口大小不同而产生侧压力，这些导致压榨机功率增加，维修管理麻烦，事故多等问题。国内外近二十年也都有研究和试用两辊压榨机，结构示意图如图2所示，两辊压榨机没有底梳，减少了功率，消除底梳漏渣、底梳事故的隐患等问题；甘蔗纤维入辘顺利，顶辊升降灵活；结构简单，少一个辊子及其附件，节省投资。

图2　两辊子压榨示意图

蔗汁液体总速度云图如图4.

1.2　蔗料材料本构模型及蔗汁渗透率数值

对甘蔗压榨提汁进行模拟首先要有蔗料固体骨架的弹性、塑性参数和蔗汁液体随压缩变化的渗透率值。查阅中文和外文文献，甘蔗蔗料的弹性参数取值如表1，根据Kannapiran的实验研究，得到的蔗料固体骨架的本构关系为Drucker-Prager Cap模型[5]，其模型参数见表2.

表1　蔗料固体骨架的弹性参数

表2　蔗料固体骨架的Drucker-Prager Cap模型参数

为了探究蔗层厚度对提汁的影响，以直径D=1.05 m的辊子为模型，设定辊子线速度为1.5 m/s，分别模拟了蔗层厚度为H=0.08 m和H=0.04 m的蔗料压缩比为3的压榨提汁。

表3　CAP PLASTICITY参数

液体通过多孔介质单位面积的体积流量和液体的压力梯度之间的关系被定义为渗透率，当前的研究把多孔介质看着各向同性的，所以渗透率也是各向同性，为孔隙比的函数，的实验研究测定蔗料的渗透率值如表4.

表4　蔗汁渗透率随孔隙比变化值

2　基于ABAQUS的模拟结果

2.1　仿真方法

应用ABAQUS流固耦合分析模块soil对甘蔗压榨提汁进行模拟分析[7，8]，由于把蔗料视为各向同性的多孔介质，所以把三维实体辊子简化到二维平面进行模拟。蔗料初始为一个矩形，辊子设为刚体，两个辊子以蔗料中心，即矩形中心线为对称轴对称分布。对蔗料的网格的划分采用CPE8RP（八节点平面应力四边形单元，该单元为减缩积分单元[9]，该单元模型能模拟饱和和非饱和液体流过变形多孔介质。初始条件：蔗料的初始孔隙比为12.1，蔗料初始孔隙压力为0.辊子刚体的旋转速度根据模拟的压榨速度计算设置，辊子与蔗料之间的摩擦因素设为0.5.

2.2　仿真结果及初步分析

以直径D=1.05 m的榨辊提汁为例，设置辊子角速度转速 W=0.285 714，则辊子转速 V=WR=0.149 999 85 m/s，蔗料进料高度设为0.08 m，辊子开口设为0.026 6 m，即模拟压缩比为3的压榨提汁过程，孔隙压力云图3.

图3　孔隙压力云图

本文把甘蔗纤维的模型应用于压榨提汁仿真，主要关注的是甘蔗纤维在A区域的力学行为，因此，采用结构简单的两辊压榨机模型更合适，如图2所示。图中H为蔗层厚度、W为辊子开口、V为辊子速度。

高校社团是大学生自我教育、自我管理、自我服务的重要载体，也是高校马克思主义大众化实现路径的主要媒介，更是高校马克思主义大众化实现路径的全新探索。社团文化以学生为主体，因此，社团文化总选择有利于学生身心发展的社会主流文化的基本精神，批判和剔除有害于学生发展的社会非主流文化[7]。用社会主义核心价值体系引领社团文化建设,是提高学生思想素质、引领学生在新的历史环境下不断成长的客观需要，也是推进学生身心发展，培养学生“四真”信念(真心、真信、真情、真行)的现实需要，让学生做到真学、真懂、真信、真用。具体而言，高校社团文化建设的实现路径主要体现在四个方面。

图4　蔗汁液体速度云图

由于不考虑重力，蔗汁液体速度在以蔗料中心线为对称轴对称分布，与空隙压力从内向外减小相反，蔗汁速度从内向外增大，在蔗料的表层蔗汁速度达到最大，蔗汁速度较大的一段在压榨段的中间。蔗汁速度矢量图如图5所示。

图5　蔗汁速度矢量图

3　蔗层厚度、辊子速度、辊子直径对压榨提汁的影响

3.1　设置参考线

为了探究蔗料内部蔗汁的流动和空隙压力的变化规律，在蔗料上设置参考线，蔗料厚度为0.08 m，压缩比为3时，进料厚度为0.08 m的蔗料被压缩后的高度约为0.026 m，进料厚度为0.04 m的蔗料被压缩后的高度约为0.013 m.由于进料蔗料简化为矩形，如图2所示，建模时，以矩形中心线为横轴，则进料蔗层厚0.08 m和0.04 m的蔗料压缩后的蔗料上表面高度分别为0.013 m和0.0065 m，分别在厚度0.08 m和0.04 m的蔗料中心和上表面高度上设置路径CENTER和UP，蔗层厚0.08 m时，其中心线（CENTER）上和上表面线（UP）上的孔隙压力分别简写为PC-H0.08、PUP-H0.08，在蔗料上表面选取速度最大的网格单元得到三个节点的速度V01-H0.08、V02-H0.0/8、V03-H0.08、V04-H0.08，得到辊子的力矩为RM-H0.08；蔗料厚度为0.04 m，其中心线（CENTER）上和上表面线（UP）上的孔隙压力分别简写为PC-H0.0，4、PUP-H0.04，在蔗料上表面选取速度最大的网格单元得到三个节点的速度V01-H0.04、V02-H0.04、V03-H0.04、V04-H0.04，得到辊子的力矩为RM-H0.04.

其中心和上表面孔隙压力对比图，蔗层厚度方向的孔隙压力变化图、表面最大速度对比图，辊子力矩对比图分别如图6、图7、图8.

自动驾驶系统系统采用先进的通信、计算机、网络和控制技术，对列车实现实时、连续控制。采用现代通信手段，直接面对列车，可实现车地间的双向数据通信，传输速率快，信息量大，后续追踪列车和控制中心可以及时获知前行列车的确切位置，使得运行管理更加灵活，控制更为有效，更加适应列车自动驾驶的需求。

由图6可以得到蔗层降低之后，蔗料内部的孔隙压力反而增大，蔗料厚度方向的孔隙压力梯度增大。

3.2　蔗层厚度与排汁的关系

当应力超过屈服应力以后，蔗料会发生永久的塑性应变，所以用屈服点和屈服后硬化曲线描述材料的塑性，在材料的屈服后变形区域，同时发生弹性和塑性应变。Drucker-Prager/Cap模型定义了屈服面参数，CAP PLASTICITY定义了材料屈服后的硬化行为。所以需要输入体塑性应变和相对静水压力屈服应力。根据前人的研究，其值如表3所示。

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在辊子的转速比较小时，所设定模拟的蔗料长度为1 m，辊子转速比较大时，设定蔗料长度为3 m.在模拟仿真时设定蔗料与辊子接触的静力分析步时间为2 s，压榨提汁流固耦合分析步时间为3 s.所以后面得到的坐标图，压榨提汁段的坐标图时间轴为2~5 s，而以路径距离为横纵的坐标在速度比较小的时候是1，而速度比较大的时候为3.

图6　厚度0.08m和0.04m蔗层空隙压力对比

图7为厚度分别为压榨0.08m和0.04m的蔗料的力矩，可以发现蔗层更薄，压榨蔗料所需的力矩更小。

咳嗽是人体生理性保护机制，是自行清除呼吸道黏液的唯一办法。婴幼儿的呼吸系统尚未发育成熟，咳嗽反射能力较差，痰液不容易排出，如果给予强力止咳，会导致痰液滞留在呼吸道，将加重病情甚至可引发其他并发症。

由图8可以得到，对于相同的辊子速度，辊子直径越大，蔗料蔗层中心的孔隙压力越大。

图7　厚度0.08m和0.04m蔗层上力矩对比

3.3　榨辊直径对提汁的影响

固定蔗层厚度，设为0.08 m，辊子线速度都是0.15m/s，辊子直径分别为 0.55、0.65、0.75、0.85、0.95、1.05 m，分别研究其中心线上的空隙压力，上表面最大速度，辊子力矩，分别如图8、图9、图10所示。

所以可以得到结论，从排汁的角度，降低蔗层厚度，蔗汁速度更快，有利于排汁。

图8　中心空隙压力图

由图9所示，相同的蔗层厚度和辊子速度，辊子直径越大，蔗料表层的蔗汁流动速度越大，但是蔗汁速度与辊子速度不在同一个数量级，所以虽然辊子的直径越大蔗汁流动速度更快，但是差别不大。

图9　辊子上表面最大速度

由图10可以得到，辊子直径越大，辊子的力矩越大。由图8、图9、图10可以得到，辊子直径越大，蔗料内部空隙压力，蔗汁流动速度，榨辊力矩越大，但是，由于蔗汁的流动速度相对于榨辊的转动速度比较小，所以榨辊直径对蔗汁流动速度的影响不明显，但是辊子转矩随辊子直径增大很明显。

图10　不同辊子直径的力矩

3.4　榨辊速度对压榨提汁的影响

由于对直径为0.95 m的榨辊进行仿真模拟发现，辊子速度为1 m/s时，蔗料内形成的空隙压力和力矩比较小。所以再取直径为1.05的辊子，蔗层厚度0.08 m，辊子速度分别取 0.5、0.8、1、1.2、1.5 m/s进行研究，加密速度变化的值，在速度变化范围0.5~1.5 m/s之间，用0.8 m/s和1.2 m/s去逼近速度1 m/s，观测速度在1 m/s上下波动时孔隙压力的变化。得到蔗层中心孔隙压力、蔗层上表面孔隙压力、榨辊力矩分别如图11、图12、图13所示。

图11　蔗料中心空隙压力

图12　蔗料上表面空隙压力

图13　辊子力矩

由图11、图12、图13可以得到辊子的速度对辊子的力矩影响不明显，辊子速度为1 m/s时，辊子的力矩减小很明显。1 m/s的辊子速度对于辊子的速度与辊子转矩之间的函数关系来说是一个拐点。

发酵香肠是指以碎肉、脂质为主要原料，与盐、糖、味精、香料及微生物发酵剂等混合腌制后灌进肠衣，在一定条件下发酵而成的发酵肉制品[3-6]。发酵香肠中常用的发酵剂菌株是乳酸菌、接触酶阴性球菌(主要是葡萄球菌属和考克斯菌属)以及酵母和霉菌[7]。发酵香肠不仅风味特殊，食用方便，还含有多种有益于人体的营养成分，自20世纪以来，国内对发酵香肠的研究便备受瞩目，发酵剂种类日益更新，由单一的微生物发酵剂到复合发酵剂[8]。复配发酵剂是直投式发酵剂的一种，通过优势菌的作用，在不改变发酵品质的基础上，成功克服了微生物发酵剂的不足，从而改善了发酵剂的性能[9,10]。

4　结束语

蔗汁的速度与蔗料内部的孔隙压力梯度有关，辊子的受力与蔗料内部的孔隙压力有关，辊子的力矩受到辊子的直径、辊子的速度、蔗层的厚度综合的影响。所以辊子直径、辊子速度、蔗层厚度对蔗料内部的孔隙压力和孔隙压力梯度的影响最直接反应其对压榨提汁的影响。因此重点对压榨提汁模拟结果的空隙压力，蔗汁速度、辊子力矩进行研究，得到了如下的一些结论：

（1）减小蔗层厚度，蔗料内部的空隙压力增大，蔗层内外的孔隙压力梯度增大，蔗汁的排汁速度加快；减小蔗层厚度对排汁速度的要求降低，所以降低蔗层厚度有利于排汁；

（2）加大辊子直径，蔗料内部的孔隙压力增大，辊子力矩增大；

旅游小镇建设可以依托具有开发价值或者已经建设发展中的著名旅游景区，为了优化景区旅游服务功能，以旅游产业为核心建设，如黄山风景区东部综合开发核心区谭家桥国际旅游休闲小镇；恩施大峡谷旅游风情小镇等都是基于著名旅游风景区建设的特色旅游小镇。

针对移动开发诸多的模式选择和技术栈，如何找到最适合本企业的开发技术是移动开发团队最关心的问题。图2为选型策略参考模型，使用决策树模式展示。企业可根据自身团队的特点和技术积累，参照参考模型选择技术栈。图2中，箭头上的条件决定着选择路径的走向。参考模型中并未囊括所有的选择可能和开发技术，可根据实际条件和技术偏好添加或移除相关分支。

（3）榨辊的速度对蔗料内部空隙压力的影响不明显，速度为1 m/s时，蔗料内部的孔隙压力和榨辊的力矩最小，1 m/s的压榨速度是一个拐点，用1 m/s速度进行压榨提汁最能减小能耗。