一、烟草机械简介
烟草机械是服务于烟草全产业链的专用专业设备，涵盖从田间种植、烟叶初加工到成品制造的所有环节。最近几年，其核心发展方向是数字化、智能化和自主创新，以形成行业的新质生产力。烟草机械根据应用环节主要分为农业机械和工业机械两大类，且均在向高精度和智能化方向升级。
农业机械
主要用于烟叶种植、采收和初烤，如移栽机、采收机、智能烘烤设备等。全自动烟叶采收机的作业效率可达3亩/小时，是人工的3-4倍。智慧烘烤平台实现了从“人工看烟”到“机器看烟”的转变，新型热泵烤房可降低能耗成本40%以上。
图-1 烟叶烘烤设备
工业机械
工业机械包含制丝设备（如叶片回潮机、烘丝机，影响卷烟感官质量）、卷接设备、包装设备（烟支包装）、滤棒成型设备（卷烟滤嘴）等。
2025年，中国烟草行业作为一个整体，其创造的税利总额超过了1.65万亿元，体量十分庞大。而服务于它的烟草机械行业，则是一个市场规模在200亿元左右、技术密集且由少数国有龙头企业主导的细分市场。
CAE技术已经深度融入烟草机械的研发与优化环节，从田间作业机具到车间核心卷接设备，都离不开它的支撑。ANSYS作为国际通用的有限元分析软件，在烟草机械研发与优化中发挥着关键作用。它通过计算机虚拟仿真技术，在产品制造前对机械结构的强度、振动、流体等性能进行分析预测，从而缩短研发周期、降低试错成本。目前，ANSYS已广泛应用于烟草工业机械和农业机械两大领域。
二、烟草机械典型案例分析
2.1 PROTOS 1-8卷接机组吸附式加速鼓轮优化案例
图-3 PROTOS 1-8卷接机
问题背景：PROTOS 1-8卷接机组在生产三元空腔滤棒时，由于空腔段（填有加香颗粒、活性炭颗粒）抗变形能力弱，滤棒段在加速鼓轮传递过程中容易出现变形、掉落等问题。加速鼓轮是机组中唯一无吸风的鼓轮，滤棒段完全依靠导轨支撑夹持。
解决方案：设计了一种吸附式加速鼓轮，在轮槽上开设吸风孔，通过负压吸附滤棒。利用ANSYS Fluent进行系统化仿真分析：
参数化建模：确定5个待优化参数——流体入口半径d、流道出口孔径R、侧面流体区域长度L、轮槽宽度w、鼓轮转速n
网格划分：采用非结构化四面体网格，加速鼓轮与滤棒段接触面设置局部尺寸调整，网格单元质量均在0.2以上
流场仿真：利用Fluent输出流道中流体的速度矢量图和压力云图，分析不同参数对轮槽吸力的影响
关键因素识别：通过单因素分析确定，流道出口孔径和轮槽宽度是关键影响因素。
图-4初始条件下加速鼓轮流道中流体的速度矢量图和压力云图
2.2 烟叶分揭机构优化案例
问题背景：针对传统人工分揭烟叶模式存在的效率瓶颈与高破损率痛点，本项目拟采用CAE仿真技术驱动分揭机构的结构优化。该方案旨在以“机械替代人工”，在保障烟叶完整性的前提下，大幅缩短工时、提升产线效率，实现降本增效。袋装的烟叶存在黏附现象，其人工分揭容易导致高破损率。
图-4 堆垛黏附的烟叶
解决方案：定性的设计了多轮分揭机构，针对毛刷轮进行不同转速，多轮同时的动态下压的工况设计，采用CAE验证设计对烟叶破损的影响。
图-5 简化的分揭机构
参数化建模：确定4个待优化参数——传递带速度、毛刷滚轮的转速、转向、动态下压
模型参数：模型单元数：194181
实体单元数：158670
壳单元数：35511
图-6 烟叶的卷翘姿态及烟梗分布
结构仿真：考虑不同烟叶的黏附状态，通过不同毛刷轮的转动速度、刷轮的下压量，完整的分离出黏附的烟叶。
图-7 烟叶分揭机构仿真动画
图-8 烟叶分揭出现的黏附状态下撕裂的现象
2.3 烟叶分离时变形仿真分析案例
问题背景：在当前烟叶气力输送管道中，烟叶在不同风速场的作用下会产生不同程度的形变。当形变量超过烟叶自身的弹性极限时，即会导致烟叶损伤（破损）。
解决方案：为获得烟叶气力分离过程中的最佳工作参数，研究针对多种典型折叠状态的烟叶，分别在不同风速条件下进行了仿真模拟。通过对烟叶破损情况与管道分离效率这两个关键指标进行综合权衡与对比分析，最终评估出能够兼顾烟叶完整性及作业效率的最优速度场配置方案。
参数化建模：针对不同的破碎烟叶进行建模，如下图。
图-9不同烟叶初始状态
网格划分：烟叶尺寸为2mm，流场尺寸为30mm.
流体仿真：利用LS-DYNA软件中的ICFD（不可压缩计算流体动力学）求解器，分别输出流道内部流体的速度矢量分布图以及烟叶结构的应力分布云图。通过对比分析不同风速参数条件下两者的变化规律与关联特征，系统评估各风速参数对烟叶破损行为的影响机制。
图-10流道风速云图
图-11烟叶应力云图
2.4 烟盒折叠成形仿真分析案例
问题背景：传统的烟盒设计主要依赖经验设计和实物打样测试，存在以下不足：周期长、成本高：每次设计修改都需要重新制作模具和样品；
难以优化：无法系统评估设计参数对成形质量的影响；
问题发现滞后：包装上机适应性问题往往在生产阶段才暴露。
解决方案：对烟盒从纸张材料到成品盒型的整个成形过程进行数值模拟，可减少样品和模具的更改，优化纸盒成形质量，避免生产阶段的适应性问题。
参数化建模：
网格划分：
纸张厚度为0.4mm;折痕处厚度为0.35mm
网格类型：16号全积分壳单元
网格数：57823（纸盒）+1050（折痕）
图-12烟盒下部
成形仿真：针对纸盒的多工序折叠成形过程，开展系统的仿真分析与结构优化。首先，通过数值模拟获取纸张在各道折叠工序中的应力分布特征与演变规律，进而全面评估纸盒在不同成形阶段的应力状态。在此基础上，结合成形后纸盒的几何形态与轮廓精度，对其最终成形效果进行定量评价。以应力最小化与成形质量最优为双重目标，对压痕位置、压痕深度及折叠角度等关键工艺参数进行优化设计，从而提升纸盒的成形性能与结构稳定性。
图-13纸盒应力云图
三、总结及发展
CAE技术在烟草机械中的应用已取得显著成效，主要体现在以下方面：
-缩短开发周期：利用CAE完成设计验证与优化，可减少物理样机反复试制的时间和成本。
-降低开发成本：通过拓扑优化实现轻量化设计，减少材料浪费；通过仿真预判设计缺陷，避免后期修改的高昂代价。
-提升产品性能：优化后烟草机械的结构，符合行业中轻量化和绿色生产的要求，并且动态特性更优。
-解决复杂技术难题：攻克了纸张各向异性材料建模、多工序折叠成形模拟、气固两相流耦合分析等关键技术。
-支撑智能化转型：为烟机产品的自动化、智能化控制提供设计依据和技术保障。
当前CAE在烟草机械中的应用仍处于发展阶段，未来将呈现以下趋势：
-多物理场耦合分析深化：从单一的结构场分析向流–固–热多物理场耦合发展，更全面模拟实际生产。
-材料本构模型精细化：针对烟叶、纸张等复杂复合材料的仿真模型将更加精确，考虑更多材料非线性特征。
-全流程数字化集成：CAD/CAE/CAM一体化程度提高，实现设计–仿真–制造的数据贯通。
-人工智能与CAE融合：利用机器学习加速仿真计算、辅助参数优化，提升分析效率。
-消费者体验量化评估：通过仿真手段量化握持感、开关力等主观体验指标，指导产品设计改进。
苏公网安备 32059002002276号
