食品超高压设备关键承压部件的研究与仿真分析

发布时间：2020-09-01 18:53

　　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。
【学位单位】：郑州轻工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS203
【部分图文】：

食源性疾病,果蔬类,肉类,中草药

成为了倍受关注的社会焦点之一。食源性疾病每年影响着很多人，特别是婴幼儿和老人。如图1-1 所示，食源性疾病是指致病因素通过食品载体进入人体而引发的腹泻或肠道传染病。每年全球范围内由于食用含有致病体的食品而患上食源性疾病的患者有多达 6 亿人。图 1-1 食源性疾病的定义除此之外，如图 1-2 所示，我国每年粮食、肉类、果蔬类以及一些名贵的中草药在贮藏期间损失量较大。如何提高食品质量、保障食品安全以及减少食品在贮藏期间的损失一直是食品科学方面研究热点之一。为解决食品品质及安全和食品损失问题，主要从食品加工、贮藏以及保鲜等方面寻找解决方法。传统的食品加工、贮藏以及保鲜方法存在着设备能耗大，加工后或贮藏保鲜后存在食品品质不佳以及化学药剂残留等一系列问题。目前食品科学方面工作者正在积极探索食品加工以及贮藏保鲜方面的新技术。图 1-2 粮食、肉类、果蔬类、名贵中草药霉变在当今的食品加工领域，热加工技术依然是食品加工的核心技术[1]。如图 1-3 所示，当今食品科学中需要解决的关键问题是安全和质量，其中质量主要包括营养、色泽风味以及口感。

果蔬类,肉类,中草药,粮食

图 1-1 食源性疾病的定义除此之外，如图 1-2 所示，我国每年粮食、肉类、果蔬类以及一些名贵的中草药在贮期间损失量较大。如何提高食品质量、保障食品安全以及减少食品在贮藏期间的损失一直食品科学方面研究热点之一。为解决食品品质及安全和食品损失问题，主要从食品加工、藏以及保鲜等方面寻找解决方法。传统的食品加工、贮藏以及保鲜方法存在着设备能耗大加工后或贮藏保鲜后存在食品品质不佳以及化学药剂残留等一系列问题。目前食品科学方工作者正在积极探索食品加工以及贮藏保鲜方面的新技术。

科学问题,食品加工,生活质量,风味

图 1-3 当今食品加工中需解决的科学问题活水平和生活质量的提升，人们倍加重视食品的安全、营养、色品超高压加工技术(简称 HPP)是一种新兴的非热加工技术[2-4]。相高压加工后，一方面可以杀灭细菌，延长保鲜时间，从而保证食大程度上保持食品原有的风味色泽及其营养价值。相比辐照和微加工技术具有节约能源、减少污染的优点。食品超高压加工技术“二十一世纪十大尖端科技”之一[5-6]。上超高压协同温度对食品进行处理能提高灭菌效率，保障食品安的要素之一，积极采取超高压协同温度可以进一步提高灭菌效率工技术已成为超高压食品加工研究的重要方向。对不同的细菌施菌效果是不同的。超高压协同温度灭菌比较复杂，需要不断通过等发达国家在食品超高压加工设备方面已有了进一步的发展。由备的研发和生产制造方面起步较晚以及工业水平的限制，中国在

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