鄭甲紅 吳東澤 梁金生 牛碩雅（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

核桃原產(chǎn)于中亞，是胡桃科核桃屬多年生落葉喬木，有“木本油料王”之稱(chēng)。中國(guó)栽培的核桃品種約有40余種，已有2 000多年的栽培歷史，其分布范圍由西部逐漸擴(kuò)展到黃河流域，其面積和產(chǎn)量均居世界首位［1－3］。核桃仁營(yíng)養(yǎng)豐富，有補(bǔ)腎、溫肺、潤(rùn)腸之功，又有強(qiáng)身健腦、駐顏延年之用［4，5］。

中國(guó)是核桃生產(chǎn)大國(guó)［6］，隨著勞動(dòng)力的減少，機(jī)械化已不斷走向成熟。在青核桃去皮方面中國(guó)也有不斷進(jìn)展，有鼠籠式去皮機(jī)［7］和滾筒揉搓式去皮機(jī)［8］，這兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)核桃破損率、青皮脫盡率及效率都有新的突破。對(duì)于機(jī)械脫青皮方面的研究，雖然有了幾代機(jī)的發(fā)明改進(jìn)但是還存在著一些缺陷，如機(jī)器的適應(yīng)差、破損率高以及去皮過(guò)程中核桃青皮被壓發(fā)膿將核桃染成黑色影響美觀等［9］。導(dǎo)致目前去皮機(jī)還未能普及，因此對(duì)核桃去青皮設(shè)備的研制具有重要的意義。

為了克服目前去青皮機(jī)械存在適應(yīng)性低、破碎率高和忽略了核桃青皮提取物對(duì)馬鈴薯蚜蟲(chóng)與瓢蟲(chóng)的殺蟲(chóng)活性的價(jià)值問(wèn)題［10］。本研究擬根據(jù)青核桃去皮過(guò)程的受力特點(diǎn)，通過(guò)ANSYS－workbench對(duì)青核桃進(jìn)行力學(xué)特性分析［11］，旨為研制新型青核桃去皮機(jī)械提供依據(jù)。

1 青核桃的幾何模型及其假設(shè)

青核桃的組織結(jié)構(gòu)可分為青皮、硬殼和核桃仁三部分。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在青核桃的生長(zhǎng)初期，三者的材料屬性是沒(méi)有明顯區(qū)別的，而成熟的青核桃，其青皮、硬殼及核桃仁的材料屬性有著明顯的區(qū)別。其各項(xiàng)性能參數(shù)的差別亦較大，完全成熟的核桃青皮和硬殼是分離的，二者之間有著很小的間隙，對(duì)此可以將成熟的青核桃假設(shè)為一個(gè)空心球［12］。本試驗(yàn)研究成熟青核桃在常溫下的靜力學(xué)特性，首先，建立青核桃的幾何模型及進(jìn)行壓力試驗(yàn)的方向假設(shè)［13］，見(jiàn)圖1。圖1中長(zhǎng)軸方向即X軸方向，短軸方向?yàn)閅軸方向，傾斜方向?yàn)樵赬Y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度的方向。

圖1 青核桃?guī)缀文Ｐ图霸囼?yàn)壓力方向圖Figure 1 The green walnut geometry model and test the pressure direction

2 青核桃的壓力試驗(yàn)及參數(shù)確定

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)用青核桃為陜西省商洛市的“香玲”品種，該品種單果重9.5～15.0g，果個(gè)偏小，殼薄，殼面光滑美觀，縫合線較平，不易開(kāi)裂［14］。測(cè)得香玲青果側(cè)截面短軸長(zhǎng)36.10～42.58mm，長(zhǎng)軸長(zhǎng)39.20～48.18mm。

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：PT－1036PC型，寶大國(guó)際儀器有限公司。

2.2 參數(shù)確定

參照文獻(xiàn)［15］，彈性模量E是表征應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的重要參數(shù)。如果允許將農(nóng)業(yè)物料制成圓柱形試料，用平行平板壓縮，則可以借助有關(guān)理論通過(guò)測(cè)得的應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算彈性模量。由于試驗(yàn)中的壓頭半徑大于產(chǎn)品的最大曲率半徑，所以可將試驗(yàn)視為平行平板壓縮。根據(jù)赫芝公式，見(jiàn)式（1）：

式中：

E——彈性模量，Pa；

D——壓縮變形量，mm；

F——壓力，N；

u——泊松比；

K1，K2——接觸半徑，mm；

R1，R2和R″1，R″2——被試物與平板上下面接觸處的最大、最小曲率半徑，mm。

泊松比的確定：通常水果和蔬菜的泊松比在0.2～0.5，所以選擇核桃青皮的泊松比為0.3［16］，即得青核桃皮沿X軸方向壓縮時(shí)的彈性模量為6.7×105Pa，沿Y軸方向壓縮時(shí)的彈性模量為5.3×105Pa，沿傾向方向壓縮時(shí)的彈性模量為6.2×105Pa。

PT－1036PC萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，3個(gè)方向的青皮破裂和堅(jiān)果殼破裂所需的載荷有所差異，但是即使載荷加載到20kg也不會(huì)影響到堅(jiān)果殼的完好。因此在Workbench設(shè)置中，3個(gè)方向加載的力均設(shè)為20kg，即196N。

3 青核桃破損的有限元受力分析

圖2 加載方向不同時(shí)的試驗(yàn)壓力與變形量的關(guān)系Figure 2 The relationship between the test pressure and the direction of loading and deformation

根據(jù)上述壓力試驗(yàn)確定的模擬參數(shù)，在三維軟件中建立青核桃模型，導(dǎo)入Workbench中，在Geometry中對(duì)已建好的青核桃模型添加印記面。設(shè)置完成后，通過(guò)有限元分析得到Equivalent Stress（等效應(yīng)力）、Equivalent Elastic Strain（等效彈性應(yīng)變）和Total Deformation（總變形）的分布情況，再對(duì)3個(gè)方向的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形分布進(jìn)行對(duì)比［17，18］，得到最佳的青皮剝離方向。

3.1 劃分網(wǎng)格

在Pro/Engineer中對(duì)青核桃進(jìn)行建模后，導(dǎo)入 Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分［19］，根據(jù)青核桃的尺寸，采用人工劃分網(wǎng)格的形式對(duì)青核桃進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于網(wǎng)格的疏密程度直接影響著計(jì)算結(jié)果的精確度，但是網(wǎng)格太密會(huì)增加CPU的計(jì)算時(shí)間且需要更大的存儲(chǔ)空間，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將有限單元設(shè)為0.4mm時(shí)，所求得的解與網(wǎng)格再細(xì)化后的解無(wú)明顯改變，所以將網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.4mm。劃分網(wǎng)格后見(jiàn)圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分圖Figure 3 Mesh map

3.2 青核桃沿X軸方向施力的有限元分析

先對(duì)青核桃進(jìn)行固定約束，然后將集中載荷加在X軸方向與青核桃表面相交的印記面內(nèi)，根據(jù)壓力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析施加196N的力。圖4為青核桃在X軸方向的應(yīng)力分析云圖、應(yīng)變分析云圖及總變形分析云圖分布情況。

3.3 青核桃沿Y軸方向施力的有限元分析

將集中載荷加在Y軸方向與青核桃表面相交的印記面內(nèi)，然后對(duì)青核桃進(jìn)行固定約束在加載方向相對(duì)的印記面上，根據(jù)壓力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析施加196N的力。圖5為青核桃的Y軸方向的應(yīng)力分析云圖、應(yīng)變分析云圖及總變形分析云圖分布情況。

3.4 青核桃沿傾斜方向施力的有限元分析

將集中載荷加在傾斜方向與青核桃表面相交的印記面內(nèi)，然后對(duì)青核桃進(jìn)行固定約束在加載方向相對(duì)的印記面上，根據(jù)壓力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析施加196N的力。圖6為青核桃的傾斜方向的應(yīng)力分析云圖、應(yīng)變分析云圖及總變形分析云圖分布情況。

由圖4～6可知，最大應(yīng)力應(yīng)變均集中出現(xiàn)在加載位置，然后向外擴(kuò)散，由于青核桃表皮不平整，所以會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似月牙狀云圖，相對(duì)較高的表皮處應(yīng)力應(yīng)變會(huì)較大，這與壓力試驗(yàn)得到的結(jié)論一致。3個(gè)方向的總變形云圖幾乎一致，最大的變形均發(fā)生在青核桃的頂端，這一現(xiàn)象在壓力試驗(yàn)中也得到了證實(shí)。由圖4～6還可以看出，在核桃青皮剝離過(guò)程中，加載方向并不是決定性因素。

圖4 沿X方向施力的有限元分析云圖Figure 4 Finite element analysis of cloud force along the Xdirection

圖5 沿Y方向施力的有限元分析云圖Figure 5 Finite element analysis of cloud force along the Ydirection

圖6 沿傾斜方向施力的有限元分析云圖Figure 6 Finite element analysis of the stress along the inclined direction

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明運(yùn)用有限元法分析青核桃的壓縮特性是可行的。由壓力試驗(yàn)提供的力，在對(duì)青核桃3個(gè)方向施加196N的力的條件下，有限元分析云圖顯示方向并不是去青皮的決定性因素；同時(shí)，有限元分析云圖中出現(xiàn)的月牙狀云圖也與實(shí)際相符，說(shuō)明有限元分析可以用于核桃去青皮過(guò)程的青皮破損機(jī)理分析。下一步將對(duì)青核桃去皮過(guò)程做動(dòng)態(tài)仿真，以更直觀地對(duì)去皮機(jī)械作進(jìn)一步的改進(jìn)。

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