甘蔗压榨提汁过程是一个非常复杂的非线性过程,涉及蔗料弹塑性变形、甘蔗纤维和蔗汁之间的固液耦合以及压榨辊与甘蔗纤维、甘蔗纤维之间相互摩擦接触等非线性问题。由于过程复杂,运用现有的甘蔗压榨理论和方法一直无法有效解决这些问题。目前,我国制糖业面临升级改造的压力,相应的装备设计水平不高。因此,本文以蔗料为研究对象,从甘蔗纤维的力学性能研究入手,通过材料性能实验、数学模型和仿真实验,开展蔗料本构模型、弹塑性耦合模型、固液耦合力学模型、甘蔗压榨三维仿真方法以及优化甘蔗辊结构设计方法的研究,厘清上述问题,改进现有的甘蔗压榨理论和方法,对于理解甘蔗压榨过程、改进压榨工艺、优化压榨机设计具有重要的科学指导意义;同时有助于企业提高技术水平和实现良好的经济效益与社会效益。蔗料参数是准确建立蔗料本构模型的基础。由于甘蔗压榨过程中蔗料参数不断变化,目前学者们普遍采用材料参数的平均值来建立模型,这些参数不准确。为此,本文通过单轴压缩试验研究蔗料的应力与压缩比的关系,通过加载-卸载试验获得甘蔗纤维的弹性模量、压缩指数和回弹指数,通过固结排水实验研究围压与甘蔗纤维泊松比之间的规律,利用直接剪切试验获得甘蔗纤维的剪切特性。实验分析表明,压缩过程中轴向、侧向的规律类似,压缩时先为弹性压缩,而后产生大的塑性变形,再产生塑性强化,但没有屈服。在加载-卸载过程中,蔗料由超固结状态变为欠固结状态,回弹性差,塑性良好。在静水压力作用下,甘蔗纤维的体积应变产生了很大的变化。蔗料的剪切破坏服从Mohr-Coulomb定律。研究蔗料弹塑性耦合、甘蔗纤维和蔗汁产生固液耦合这两种耦合现象是甘蔗压榨提汁过程的关键性问题。本文通过描述弹性特征和塑性特征来表达蔗料的本构模型,塑性特征主要表现为具有黏土类似的临界状态,分析对比黏土的修正剑桥模型和修正DPC模型,建立了蔗料的本构模型。以多样条插值法拟合得到了孔隙比e分别与蔗料的杨氏模量E、泊松比v、帽盖参数R的演化规律,以及静水屈服压力pb与塑性体积应变εvpl的演化规律,并建立了蔗料的弹塑性模型;通过分析发现甘蔗纤维的杨氏模量和泊松比随孔隙比的增大而减小,且减小趋势越来越小;帽盖参数R随孔隙比先减小后增大,静水屈服压力随塑性体积应变εvpl的增大而增大。将蔗料当成饱和多孔介质材料,运用B1ot有效应力原理,建立了蔗料固液耦合力学模型,并通过Abaqus软件分别对甘蔗纤维的准静态和动态压缩实验进行了有限元仿真,并利用实验进行了验证。仿真结果表明,非弹塑性耦合模型的仿真实验结果比压缩实验要小,在较大压缩比情况下,弹塑性耦合模型的仿真实验结果与准静态压缩实验很接近,表明其能更准确地预测实验结果;动态压缩实验的轴向压力值在较大压缩比时比准静态压缩实验的大得多,动态压缩仿真实验获得的轴向力和动态压缩实验的比较接近,特别是在压缩比为1.5-3.5之间时,误差小于5%,表明蔗料固液耦合力学模型可以有效预测甘蔗压榨提汁的载荷,该耦合模型适用于甘蔗压榨的仿真,可以很好程中蔗料内部甘蔗纤维和流体的力学现象。通过500mm/min的动态压缩仿真实验结果,发现了甘蔗纤维内部应力分布规律以及与压缩比的关系。由于前辊的排汁占60%以上,蔗料在前后两辊至中性平面的区域受力变化规律研究尤为重要。基于演化参数的蔗料固液耦合力学模型,利用三维建模及有限元方法,将两辊压榨提汁过程进行有限元仿真,分析了甘蔗纤维的应力-应变、蔗汁流动和孔隙压力的规律,以及压缩比、压榨辊辊面线速度、蔗层厚度和压榨辊直径对其压力和转矩的影响。在甘蔗压榨提汁过程中,如何保证低能耗高抽出率,一直是糖业关心的热点问题,所以甘蔗压榨辊的结构设计显得尤为重要。分析甘蔗压榨辊结构设计的传统方法和有限元法的优缺点,分析比较了三种试验设计方法的特点,使用均匀设计方法设计了压榨辊齿距、齿角、齿宽以及半径4因素11水平的均匀实验,利用蔗料压榨过程三维仿真方法获得压榨辊结构参数、蔗料最大孔隙压力和压榨辊转矩的样本空间。采用响应面分析法选用R2FI模型建立压榨辊结构参数分别与蔗料最大孔隙压力及压榨辊转矩的数学回归模型,通过对模型及参数的显著性分析,发现所建立的模型具有较好的预测能力,并分析了齿角和齿宽的相互作用对蔗料最大孔隙压力和压榨辊转矩的影响。运用多目标粒子群优化算法将响应面法分析得到的近似方程作为适应度函数,结构参数范围作为样本空间的边界,通过多次迭代更新,获得压榨辊结构参数、压榨辊转矩与蔗料最大孔隙压力的多种优化组合,并进行验证,发现利用多目标粒子群优化算法得到的结果相对误差很小。该压榨辊结构设计方法可以用于压榨辊结构优化设计以及转矩和最大孔隙压力等相关物理量的预测。