食品超高压设备关键承压部件的研究与仿真分析

摘要

近年来食品安全和食品在贮藏期间损失量较大等问题日益严重，由于食品超高压加工技术具有独特的优势因而成为倍受关注的非热加工技术之一。食品经过超高压加工后不仅能够延长保鲜时间，而且能在最大程度上保留食品的色泽风味以及营养成分。食品超高压加工技术协同温度处理在一定程度上可以提高灭菌效率和保障食品安全。因此食品超高压加工技术在未来是非常具有潜力的一项高新技术。　　本文研究对象为食品超高压设备的关键承压部件中的超高压三层组合舱体和立轭组件。超高压三层组合舱体是食品加工容器，立轭组件不仅是食品超高压设备的装配基体，而且还要承受设备几乎所有的轴向力。目前，超高压三层组合舱体和立轭组件在安全和加工制造方面方面仍有待于进一步深入研究及优化以满足实际食品加工中的应用。在安全方面降低应力和变形量以及在加工制造方面降低难度十分重要。因此该研究具有非常重要的现实意义，本文研究的具体内容如下：　　1.基于厚壁圆筒基础理论和传热理论，分别对超高压三层组合舱体的预应力状态、热-结构耦合状态进行理论求解计算，为提高计算效率和计算的准确性，编写了MATLAB GUI程序。　　2.运用ANSYS Workbench软件对超高压三层组合舱体进行仿真，得到了温度分布以及预应力状态和热-结构耦合状态下的应力分布数值，并与MATLAB GUI程序的理论计算值进行对比，结果表明，温度相对误差均小于0.006%，应力相对误差均小于0.5%，间接说明理论计算和有限元模拟的准确性，同时进一步分析了不同温度状态下等效应力变化规律。　　3.运用ANSYS Workbench软件对立轭组件的不同压力状态下进行仿真，得到了应力和变形量规律，同时对其强度进行校核。以降低等效应力和变形量为目标对该组件进行结构改进，改进后立轭组件的等效应力和变形量分别下降了17.13%和20.00%，立轭的端部轴向变形量下降了19.69%，半圆块的等效应力和变形量分别下降了21.78%和20.00%，同时保证了立轭组件具有良好对中性，在一定程度上提高了设备的的安全性。　　4.运用ANSYS Workbench软件对超高压三层组合舱体热-结构耦合状态进行响应面和灵敏度分析，得到相关的结构参数以及温度与等效应力的影响趋势和程度。同时以降低舱体的等效应力峰值和过盈装配难度为目标进行优化设计。优化后内舱、中舱、外舱的等效应力分别下降5.27%、0.88%、0.90%，内舱和中舱的过盈量下降25.21%、中舱和外舱的过盈量下降34.24%。　　5.以某公司的食品超高压设备进行实验研究，通过测量超高压三层组合舱体热-结构耦合状态在不同压力值下的外舱外壁的径向膨胀值，与ANSYS Workbench模拟值进行对比，验证了热-结构耦合仿真的准确性。　　本文对食品超高压设备的关键承压部件中的超高压三层组合舱体和立轭组件进行了相关研究，该研究可为食品超高压设备关键承压部件的设计提供参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2食品超高压加工技术分析

1.3食品超高压加工技术国内外研究现状

1.4食品超高压加工设备国内外研究现状

1.5食品超高压加工设备关键承压部件国内外研究现状

1.5.1超高压承压舱体国内外研究现状

1.5.2立轭组件国内外研究现状

1.6课题研究内容

第二章 超高压三层组合舱体热-结构耦合分析计算及程序开发

2.1引言

2.2厚壁圆筒基础理论

2.3超高压三层组合舱体温度场分析计算

2.4超高压三层组合舱体预应力状态分析计算

(1)装配应力的分析计算

(2)压应力的求解

(3)三层组合舱体预应力状态的求解

2.5超高压三层组合舱体热-结构耦合分析计算

2.5.1单层舱体的热-结构耦合分析计算

2.5.2超高压三层组合舱体的热-结构耦合分析计算

2.6超高压三层组合舱体热-结构耦合MATLAB GUI计算程序开发

2.7本章小结

第三章超高压三层组合舱体热-结构耦合仿真分析

3.1引言

3.2有限元法及热-结构耦合流程简介

3.3超高压组合舱体模型的建立

3.3.1建立三维模型

3.3.2热-结构耦合分析的建立

3.3.3定义材料属性

3.3.4划分网格并定义接触类型

3.3.5加载和求解

3.4超高压三层组合舱体预应力状态仿真分析

3.5超高压三层组合舱体热-结构耦合状态仿真分析

3.6不同温度下超高压三层组合舱体的热-结构耦合仿真分析

3.7本章小结

第四章 超高压立轭组件的仿真分析与结构改进

4.1引言

4.2超高压立轭组件模型的建立

4.2.1 建立超高压立轭组件模型

4.2.2定义材料属性

4.2.3 约束建立和网格划分

4.2.4加载和求解

4.3不同压力下超高压立轭组件系统的仿真分析

4.3.1 200MPa压力下的超高压立轭组件的仿真分析

4.3.2 400MPa压力下的超高压立轭组件的仿真分析

4.3.3 600MPa压力下的超高压立轭组件的仿真分析

4.3.4仿真分析

4.4超高压立轭组件的结构改进

4.5 本章小结

第五章 超高压三层组合舱体热-结构耦合优化设计

5.1 引言

5.2 ANSYS Workbench优化设计流程

5.3 超高压三层组合舱体热-结构耦合优化变量确定

(1)设计变量

(3)目标函数

5.4 超高压三层组合舱体热-结构耦合的优化设计

5.4.1优化设计创建

5.4.2 灵敏度分析

5.4.3 响应面分析

5.4.3优化设计结果分析

5.5本章小结

第六章 超高压三层组合舱体热-结构耦合实验研究

6.1 引言

6.2实验条件准备

6.3实验设计及实验过程

6.4实验结果分析

6.5本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录2 攻读硕士学位期间获得科研鉴定成果

致谢