基于Workbench的榨汁機刀盤有限元分析

曾有鑫 李金寬 羅飆

摘 要：本文提出一種新型榨汁機刀盤，利用三維繪圖軟件Pro/E建立該新型榨汁機刀盤的三維模型，并運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對該新型榨汁機刀盤進行有限元分析，得出不同載荷下的整體變形云圖和等效應力云圖。結果表明，榨汁機刀盤的最大變形發生在與安裝孔對應的邊緣刀片的外緣，應力較大部分集中在安裝孔周圍，為高效率榨汁機的設計及優化提供參考。

關鍵詞：刀盤；榨汁機；ANSYS Workbench；有限元分析

1 前言

近年來，隨著人們生活水平的普遍提高，對自身身體健康越來越重視，對飲食營養均衡性的要求越來越高，更加注重對果蔬類營養的攝取，人們更喜歡新鮮而可口的純果汁[1]，榨汁機不僅能夠給人們提供豐富多樣的果蔬營養，并且為人們帶來了自制食品飲料的樂趣[2]。

目前市場上的榨汁機種類繁多，刀盤式榨汁機由于果汁與果肉纖維保留完整而受到市場青睞[3]。傳統榨汁機的刀盤在工作時果料無法充分粉碎，導致出汁率不高，效率低，而且還影響果汁的口感。針對傳統榨汁機刀盤的不足，筆者提出了一種新型榨汁機刀盤[4]。本文對該榨汁機刀盤進行有限元分析，得出不同載荷下的整體變形云圖和等效應力云圖，為生產高效率的榨汁機提供參考。

2 榨汁機刀盤的工作原理

利用三維繪圖軟件Pro/E[5]建立該榨汁機刀盤的三維模型，如圖1所示。該榨汁機刀盤包括共同的刀盤本體、刀片和細齒刀片，其中刀片均勻分布在刀盤本體外緣，刀片與刀盤本體在二者連接處形成30°扭角，細齒刀片附著在刀盤本體表面。

3 榨汁機刀盤有限元分析模型

將Pro/E建立的該榨汁機刀盤的三維模型導入ANSYS Workbench[6]中，建立刀盤的有限元模型，如圖2所示。定義刀盤的材料為不銹鋼，其材料性能：彈性模量E=193，密度ρ=7.85×10-3 kg/mm3，泊松比μ=0.29。網格劃分時采用ANSYS Workbench板殼單元Shell 63對刀盤進行自由網格劃分，設置網格尺寸為3 mm。邊界條件為對刀盤安裝孔內側節點施加全約束。

4 榨汁機刀盤有限元分析

利用ANSYS Workbench對榨汁機刀盤進行了變形及應力分析。榨汁機刀盤的變形和應力云圖如圖所示。當施加載荷為250N·m時的整體變形云圖如圖3（a）所示，榨汁機刀盤的最大變形值為8.0085×10-4mm，等效應力云圖如圖3（b）所示，最大等效應力值為10.822Mpa。

當施加載荷為350N·m時，整體變形云圖如圖4（a）所示，榨汁機刀盤的最大變形值為1.121 2×10-3 mm，等效應力云圖如圖4（b）所示，最大等效應力值為15.15 Mpa。

當施加載荷為450N·m時，整體變形云圖如圖5（a）所示，榨汁機刀盤的最大變形值為1.4415×10-3mm，等效應力云圖如圖5（b）所示，最大等效應力值為19.479Mpa。

5 結論

（1）從整個榨汁機刀盤的整體變形的分布情況可以看出，變形量從刀盤中心向外逐漸增大，且最大變形發生在與安裝孔對應的邊緣刀片的外緣，且隨著載荷的增大，刀盤的變形量也增大。

（2）從整個榨汁機刀盤的等效應力的分布情況可以看出，應力較大部分集中在安裝孔周圍，在刀盤的外緣和中心位置較小；且隨著載荷的增大，刀盤上承擔的應力增大。

（3）利用ANSYS Workbench軟件對榨汁機刀盤進行模擬仿真，得出刀盤承載狀態下的變形和應變分布，從仿真結果可知材料的許用應力滿足要求，結構可靠，為刀盤正常工作提供理論依據，為設計制造高效率榨汁機提供理論基礎。

參考文獻

[1]葉興乾.果品蔬菜加工工藝學[M].北京：中國農業出版社，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]陳榮，肖桂香，李希宏.基于Fluent的榨汁機流場模擬及優化 [J].機電技術，2013，（3）：41.

[4]李金寬.一種果蔬榨汁機用刀具[P].中國專利，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.

（作者單位：西華大學 機械工程學院）