侯俊銘，楊 勇，董 帥，何 濤，白晶波,李金澎

典型花生種子脫殼特性試驗及有限元仿真研究

侯俊銘，楊 勇，董 帥，何 濤，白晶波,李金澎

（沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽 110866）

為研究花生種子機械脫殼變形和等效應力變化規(guī)律，改進脫殼裝備設(shè)計，以遼寧地區(qū)主栽品種花育23和魯花1號花生種子為研究對象，以破殼力和變形量為試驗指標，加載速度、含水率、加載方式和品種為影響因素，對花生種子作單因素試驗分析，建立花生殼和花生仁有限元模型，采用ANSYS軟件對其靜力學仿真。結(jié)果表明，加載速度、含水率、加載方式和品種對破殼力均影響顯著（p＜0.05）；加載速度增加25%，破殼力和變形量下降7.54%及2.11%；含水率增加6.6%，破殼力和變形量上升19.7%及8.5%?；ㄉ鷼げ煌虞d方式有限元仿真最大變形量分別為2.34、3.23和3.86 mm，變形量與壓縮載荷之間存在非線性關(guān)系，花生仁最大變形量約為花生殼的32%，試驗結(jié)果與有限元仿真相近。研究為優(yōu)化花生種子脫殼設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計，降低脫殼破損提供參考。

花生；力學特性；有限元；壓縮試驗；ANSYS

花生是重要油料和經(jīng)濟作物[1]，花生種子脫殼質(zhì)量影響其播種產(chǎn)量，研究花生種子脫殼力學特性對優(yōu)化脫殼設(shè)備關(guān)鍵部件具有重要意義。脫殼是花生種子精加工必要工序，也是造成其損傷主要環(huán)節(jié)，脫殼特性是研究重點[2]。呂小蓮等研究通過擠壓破碎試驗，分析品種、含水率和擠壓位置對花生種子擠壓性能影響[3]；王京等分析幾何直徑、百粒重及品種對其均齊性影響[4]。Dilmac等通過計算花生種子幾何直徑、體積、球度、休止角、孔隙率及表面積，分析花生殼體密度、顆粒密度、壓縮指數(shù)及壓縮指數(shù)與含水率關(guān)系，研究花生種子動態(tài)摩擦系數(shù)及不同結(jié)構(gòu)表面含水率[5-8]，通過瞬態(tài)傳熱試驗，分析花生種子比熱容、導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)[9]。目前多集中于花生種子物理和力學特性研究，因花生種子幾何非線性等特點，靜壓力學試驗無法確定花生種子各部位力學參數(shù)變化過程。因此，靜壓力學試驗和有限元法（FEM）結(jié)合方法應用廣泛。史建新等利用靜壓力學試驗和有限元仿真方法研究核桃、板栗以及冬小麥擠壓力學特性參數(shù)對其受力和變形影響[10-12]；李震等利用ANSYS軟件建立雙錐度模具限元模型，對秸稈壓縮特性作數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，不同物料壓縮特性規(guī)律相似[13]；王京等從試驗和有限元仿真角度分析花生仁組織內(nèi)部應力和應變，但未開展組織內(nèi)部各點等勢值變化及仿真結(jié)果與試驗對比研究[14]。針對花生種子內(nèi)部受力變形研究較少。

本研究針對花生種子受力特點，以ANSYS軟件對花生殼和花生仁有限元仿真，計算花生種子變形量等勢值數(shù)值解，對比分析壓縮過程中受力及位移，為開發(fā)高效脫殼設(shè)備提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用遼寧地區(qū)主栽的魯花1號和花育23號花生種子開展靜壓力學試驗，測定魯花1號和花育23三軸尺寸，根據(jù)測量數(shù)據(jù)獲得魯花1號和花育23尺寸參數(shù)直方圖（見圖1）。魯花1號三軸尺寸比花育23大15%左右，厚度略低于花育23。因此，花生種子在機械脫殼過程中，不同品種脫殼特性不同。

圖1 花生幾何參數(shù)尺寸Fig.1 Peanut geometric parameter size

1.2 試驗裝置

采用游標卡尺（精度0.02 mm）測量花生種子三軸尺寸；SFY型紅外線水分測定儀（精度0.01，購自冠亞電子科技有限公司），快速測量花生種子含水率；LDS型微機電子萬能試驗機（購自美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司），測量花生種子破殼力和變形量。LDS型微機電子萬能試驗機如圖2所示。

圖2 LDS型微機電子萬能試驗機Fig.2 LDS Microcomputer control electronic universal test machine

機架上壓頭裝有壓力傳感器，操作面板控制上壓頭與花生種子間距離。調(diào)節(jié)上壓頭與花生種子距離不變，啟動機器，以設(shè)定速度靜態(tài)壓縮，當花生種子壓縮載荷下降至峰值40%時，停止壓縮，壓力傳感器將壓縮過程數(shù)據(jù)記錄后處理，分析壓縮位移與壓縮載荷變化。

1.3 方法

采用控制變量法研究加載速度、含水率、加載方式和品種對花生種子破殼力、變形量影響，即固定其他因素，改變單一因素，分析該因素對破殼力和變形量影響。試驗時，選取含水率15.52%魯花1號花生種子，以10 mm·min-1加載速度試驗，獲得壓縮載荷與壓縮位移關(guān)系。

圖3 魯花1號花生壓縮載荷與壓縮位移變化曲線Fig.3 Curve of load and displacement of Luhua 1

由圖3可知，隨壓縮位移增加，壓縮載荷從0~70 N，壓縮載荷先降至最低值再緩慢升高。說明花生種子受力破殼時，花生殼受力產(chǎn)生塑性變形，持續(xù)加載時，花生殼受力達應力極限，花生殼出現(xiàn)裂紋，直至破殼結(jié)束?；ㄉN子受壓后破損特征見圖4。

圖4 花生破損特征Fig.4 Peanut damage characteristics

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

1.4.1 加載速度對破殼力和變形量影響

為分析不同加載速度對破殼力和變形量影響，在其他因素不變情況下，選取含水率15.52%魯花1號花生種子開展靜態(tài)壓縮試驗，試驗分為4組，每組重復4次，計算破殼力和變形量均值，獲得不同加載速度下破殼力和變形量數(shù)據(jù)。

由表1可知，保持其他因素不變，變形量隨加載速度增大而減小，加載速度增加25%時，破殼力和變形量分別下降7.54%和2.11%。

表1 不同加載速率破殼力與變形量Table 1 Rupture force and deformation at different loading velocity

由表2可知，在置信度為95%情況下，加載速度對破殼力影響中，檢驗水平p＜0.05，說明加載速度對破殼力影響顯著；加載速度對變形量影響中，檢驗水平P＞0.05，說明加載速度對變形量無顯著影響。為深入研究加載速度對破殼力和變形量影響，建立加載速度與破殼力和變形量一元線性回歸模型，獲得破殼力及變形量與加載速度一元線性回歸方程分別如下：

式中，F(xiàn)-破殼力（N）；V-加載速度（mm·min-1）；D-變形量（mm）。

表2 破殼力（變形量）與加載速度方差分析Table 2 Variance analysis of rupture force(deformation)and loading velocity

由圖5和圖6可知，隨加載速度提高，破殼力和變形量減少。主要因加載速度增大，單位時間內(nèi)花生種子所受機械能增加，花生種子受力破殼趨勢增大，所需破殼力和變形量降低。提高加載速度，有助于花生種子破殼。1.4.2 含水率對破殼力和變形量影響

圖5 加載速度與破殼力關(guān)系Fig.5 Relationship between loading velocity and rupture force

圖6 加載速度與變形量關(guān)系Fig.6 Relationship between loading velocity and deformation

選取含水率分別為2.08%、8.97%和15.52%魯花1號花生種子以20 mm·min-1速度開展靜態(tài)壓縮試驗，試驗分為3組，每組重復10次，計算破殼力和變形量均值，如表3所示。隨含水率增加，花生種子破殼力和變形量不斷增加，含水率增加6.6%，破殼力和變形量分別上升19.7%及8.5%。含水率對花生種子破殼力和變形量影響見表4。在置信度為95%情況下，二者方差分析結(jié)果中，檢驗水平p＜0.05，說明含水率對破殼力和變形量均影響顯著。Iraj認為花生種子破殼力與含水率之間存在強烈多項式關(guān)系[15]。為深入研究含水率對破殼力和變形量影響，分別建立含水率與破殼力和變形量一元線性回歸模型，獲得破殼力及破殼變形量與含水率一元線性回歸方程分別如下：

式中，F(xiàn)-破殼力（N）；M-含水率（%）；D-變形量（mm）。

由圖7、8可知，隨含水率增加，破殼力和變形量相應增加?；ㄉN子在不同含水率下，力學特性不同，含水率越低，花生殼韌性越小，抵抗破裂能力越小。原因是花生殼主要由纖維素和粗纖維組成，仁殼間隙較小，仁易破碎，含水量越低，花生殼韌性降低，破殼前變形量減小。

表3 不同含水率下破殼力和變形量Table 3 Under different moisture content of the rupture force and deformation

表4 破殼力（變形量）與含水率方差分析Table 4 Variance analysis of rupture force(deformation)and moisture content

圖7 含水率與破殼力關(guān)系Fig.7 Relationship between moisture content and rupture force

圖8 含水率與變形量關(guān)系Fig.8 Relationship between moisture content and deformation

1.4.3 加載方式對破殼力和變形量影響

以含水率15.52%魯花1號為對象，分別選取正放和側(cè)放兩種壓縮方式，以10 mm·mim-1速度開展靜態(tài)壓縮試驗，每種壓縮方式5次重復試驗，計算破殼力和變形量均值（見表5）。

為研究加載方式對花生種子破殼力和變形量影響對表5數(shù)據(jù)作單因素方差分析。獲得不同加載方式下變形量與破殼力關(guān)系曲線。由圖9可知，在相同變形量情況下，正放小于側(cè)放加載所需破殼力。

由表6可知，在置信度為95%情況下，二者檢驗水平p＜0.05，說明正放加載和側(cè)放加載對破殼力和變形量影響顯著。由圖9可知，隨變形量增加，正放加載破殼力明顯小于側(cè)放。因此，正放較側(cè)放加載更有利于花生種子破殼。

表5 加載方式對破殼力和變形量影響Table 5 Effect of loading method on rupture force and deformation

表6 加載方式對破殼力(變形量)方差分析Table 6 Variance analysis of loading method on the rupture force(deformation)

圖9 加載方式對破殼力和變形量影響Fig.9 Effects of load method on rupture force and deformation

1.4.4 品種對破殼力和變形量影響

選取含水率為8.97%花育23和魯花1號各10個，分為兩組，以20 mm·min-1加載速度開展正放靜態(tài)壓縮試驗，每組試驗重復10次，計算破殼力和變形量均值，獲得破殼力和變形量數(shù)據(jù)（見表7）。

由圖10可知，花生種子載荷壓縮時，不同品種破殼力和變形量不同，除個別點誤差外，在相同變形量時，魯花1號破殼力小于花育23。因魯花1號三軸尺寸略大，與壓頭接觸面積大，且花育23殼稍厚。因此，在相同試驗條件下，魯花1號花生更易破殼。

2 花生種子物理模型建立

2.1 花生種子幾何模型

依據(jù)魯花1號花生測量三軸尺寸，設(shè)計花生種子三維實體模型。花生仁長20 mm，寬14 mm，厚10 mm，花生種子幾何模型及花生仁模型見圖11。

2.2 花生種子破裂準則

花生殼主要由纖維素和半纖維素組成，纖維素和半纖維素在壓力作用下至破壞前塑性變形較小，將其認定為脆性材料，失效形式通常是斷裂。因此，當花生種子最大應力σ1達到極限應力σb時，花生殼破裂，即滿足花生種子破裂準則為σ1=σb

表7 品種對破殼力和變形量影響Table 7 Effects of varieties on rupture force and deformation

圖10 品種對破殼力與和形量影響Fig.10 Effects of varieties on rupture force and deformation

2.3 創(chuàng)建接觸形式

通常接觸問題可以分成兩大類：剛體—柔體接觸和柔體—柔體接觸?；ㄉN子力學試驗分析中，接觸部件剛度大于花生殼剛度，將花生種子破殼接觸形式定義為剛體—柔體接觸。

2.4 花生種子彈性模量

固體農(nóng)業(yè)物料力學性質(zhì)同金屬材料有相似之處。因此，計算公式和力學指標同金屬材料表達方式一致[16]。

花生種子彈性模量是脫殼過程中重要參數(shù)，彈性模量與含水率有關(guān)。根據(jù)花生種子在載荷下受力與變形關(guān)系，計算出其應力和應變?yōu)椋?/p>

式中，σ-應力（MPa）；F-試件所受軸向力（N）；S-試件橫截面積（mm2）。

式中，ε-試件發(fā)生應變；ΔH-試件破損時實際變形（mm）；H-試件原有高度（mm）。

由式（5）和（6）得花生種子彈性模量為：式中，E-彈性模量（Mpa）。

選取不同含水率魯花1號花生種子計算，獲得不同含水率對應彈性模量（見表8）。

圖11 花生種子三維模型Fig.11 Three dimensional model of peanut seed

表8 花生種子不同含水率彈性模量Table 8 Elastic modulus of different moisture content of peanut seed

3 花生種子有限元模型

有限元法（Finite element method，F(xiàn)EM）計算中，常將整體離散成多個網(wǎng)格單元分析，依據(jù)極限逼近思想，用有限未知量逼近真實物理系統(tǒng)。單元內(nèi)部各點位移用單元節(jié)點表示，當給定單元任意未知變量位置時，即可用形函數(shù)和相應節(jié)點值計算該點位移。張永生等建立土體穩(wěn)定性有限元模型，解決土體穩(wěn)定性彈塑性變形問題[17]。假設(shè)平面上任意一個節(jié)點單元分別用i，j，k表示，單元節(jié)點中x和y方向位移分量分別為u和v，節(jié)點處形函數(shù)分別為Si，Sj和Sk，節(jié)點位移分量分別為Uix，Uiy，Ujx，Ujy，Ukx，Uky，則節(jié)點單元中應變能和位移分別為[18]：

式中，Ue為應變能，J，ε為應變矩陣，V為單元體積（mm3）。

對于平面應力問題，物體內(nèi)任意一點應變狀態(tài)可用3個獨立變量表示：

式中，εT為花生種子內(nèi)任意一點應變矩陣轉(zhuǎn)置，εxx，εyy為應變分量，γxy為切應變。

花生種子在壓縮過程中，等效應力符合第四強度理論，設(shè)σi，σj，σm為每個單元三個主應力，則花生種子等效應力為：

式中，σe為等效應力，n為單元總數(shù)。

在對有限元靜力學仿真時，難點在于非線性方程組求解，錢巍等利用預處理共軛梯度算法解決有限元中線性方程組求解[19]，而在有限元求解時，實質(zhì)是拉格朗日方程泛函問題，通過變分原理和插值函數(shù)求出數(shù)值解[20]，求解誤差精度與劃分單元尺寸有關(guān)。因此，給出花生種子有限元計算最優(yōu)收斂準則。

式中，U*為精確解；UΔ為有限元解；C為常數(shù)；δ為單元尺度；S，Ω，Γ為有限單元邊界條件；m為場函數(shù)最高導數(shù)階數(shù)。

4 花生種子有限元仿真

由于花生種子物理模型與實體存在誤差。因此，有限元仿真時，需對非主要因素簡化處理。本文在花生種子有限元仿真中，假設(shè)花生種子含水率和溫度為定值；開始施加載荷時，花生種子應力為零；花生殼和花生仁分別等效于各向同性材料；不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對花生殼影響。加載方式為正放加載、側(cè)放加載和立放加載。網(wǎng)格劃分時，設(shè)置單元類型為solid 186，自動劃分網(wǎng)格，花生殼網(wǎng)格單元為4670，花生仁網(wǎng)格單元為12525?；ㄉ鷼椥阅Ａ繛?.74 Mpa，花生仁彈性模量為60 Mpa，泊松比為0.4，仿真時間設(shè)置為1秒，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖12所示。

圖12 花生模型網(wǎng)格劃分Fig.12 Peanut model grid division

4.1 花生殼有限元分析

花生殼有限元分析結(jié)果見圖13，由圖a，c，e壓縮位移變化云圖可知，花生殼從不同方向施加載荷時，壓縮位移沿受壓中心以一定梯度向四周擴散，強度逐漸降低，最大壓縮位移在花生殼受壓中心處，且最大壓縮位移分別為2.34、3.23和3.86 mm。圖b，d，f反映不同加載方式時，花生殼等效應力（VonMises Stress）變化云圖。由圖b，d，f可知，花生殼在不同方向加載時，其抵抗材料應力強度等效應力沿載荷加載方向擴展，等效應力最大值在受壓點棱邊處，說明在受壓過程中，隨加載時間增加，花生殼等效應力不斷增大，當?shù)刃_到材料應力極限時，產(chǎn)生裂紋，且沿著等效應力最大區(qū)域破裂。

為了解花生殼在加載過程中位移變化形式，涉及花生殼內(nèi)部位移場局部流線，如圖14所示。花生殼在施加載荷時，內(nèi)部位移沿受壓中心以一定梯度向四周輻射，強度逐漸降低。所以花生殼在受壓時，受壓區(qū)域位移變化量最大。圖15為不同加載方式下，變形量等勢值與加載時間變化關(guān)系。

由圖15可知，在相同加載時刻，變形量等勢值為立放加載＞側(cè)放加載＞正放加載。因為載荷與花生殼接觸面積越小，內(nèi)部產(chǎn)生等效應力越大。說明在相同載荷情況下，立放加載變形速度最快，最易破殼。圖16為花生破殼之前，壓縮載荷與變形量關(guān)系。

由圖16可知，隨著壓縮載荷增加，變形量增加，壓縮載荷與變形量之間存在非線性關(guān)系，試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本吻合，相對誤差為6.16%。其相對誤差可由式（13）計算：

式中，MAE-相對誤差；SRM-變形量均值仿真結(jié)果；MTR-變形量均值試驗結(jié)果。

4.2 花生仁有限元分析

由于花生殼和花生仁材料屬性不同，其受壓破損特性差異較大?；ㄉ视邢拊治鼋Y(jié)果如圖17~18所示，由圖17可知，從頂部施加載荷，花生仁受壓變形呈多邊形向四周延伸，由于花生仁彈性模量比花生殼彈性模量大約6倍，因此，在相同加載方式和載荷條件下，其最大變形量約為花生殼32%，且受壓中心處變形量最大，最大值為1.24 mm。

圖13 花生殼有限元分析結(jié)果Fig.13 Results of finite element analysis of peanut shells

圖14 花生殼內(nèi)部位移場流線Fig.14 Flow chart of the displacement field inside the peanut shell

圖15 變形量等勢值與仿真時間關(guān)系Fig.15 Relationship of displacement equipotential and time

圖18 為花生仁截面等效應力剖面云圖，由圖18可知，花生仁內(nèi)部等效應力在加載區(qū)域較大，中間較小。因時，花生仁從頂端裂成兩瓣?；ㄉ什煌虞d方式變形量等勢值與加載時間變化關(guān)系見圖19。

由圖19可知，立放加載最大變形量大23.3%，試驗初期，立放加載變形量變化率快于正放加載。因為花生仁在壓縮過程中，立放加載接觸面較正放加載接觸面小。因此，立放加載更易使花生仁破裂。

圖16 壓縮載荷與變形量關(guān)系Fig.16 Rlationship of compression load and displacement

圖17 花生仁受壓位移等勢值云圖Fig.17 Peanut kernel displacement equipotential value cloud map

圖18 花生仁等效應力截面云圖Fig.18 Peanut kernel equivalent stress section cloud map

圖19 花生仁變形量等勢值與仿真時間關(guān)系Fig.19 Relationship of deformation equipotential and time

5 討 論

花生種子脫殼是種子加工重要環(huán)節(jié)，脫殼特性對花生種子脫殼設(shè)備設(shè)計具有理論價值。因此，深入研究花生種子受力變形和等效應力對優(yōu)化脫殼設(shè)備關(guān)鍵部件，降低脫殼損傷具有重要意義。

花生種子加載速度、含水率、加載方式和品種對破殼力有顯著性影響，直接影響脫殼效果。楊亞洲等研究加載方式和含水率對花生殼及花生仁破殼力影響，結(jié)果表明含水率和加載方式對破殼力影響顯著，與本研究結(jié)果一致[21]。易克傳等研究含水率對花生殼和花生仁破殼力影響，結(jié)果表明隨含水率增加，破殼力相應增加，與本研究結(jié)果一致[22]。本研究與王京等研究花生仁力學特性及有限元仿真結(jié)果存在差異[14]，由于花生種子脫殼過程中力學特性復雜，其脫殼過程中碰撞力學特性等相關(guān)問題有待進一步研究。

6 結(jié) 論

a.本研究以遼寧地區(qū)主產(chǎn)花育23和魯花1號為試材，破殼力和變形量為試驗指標，通過單因素試驗研究加載速度、含水率、品種及加載方式對花生種子脫殼特性影響。研究結(jié)果表明，加載速度增加25%時，破殼力和變形量下降7.54%及2.11%，含水率增加6.6%時，破殼力和變形量上升19.7%及8.5%。相對于正放加載，立放加載更易破殼；魯花1號和花育23對比中，魯花1號更易破殼。

b.建立花生殼和花生仁有限元模型，采用ANSYS軟件對其靜力學仿真。仿真結(jié)果表明，花生殼在不同加載方式下，立放加載變形量最大，最大變形量為3.86 mm；等效應力沿受壓中心向棱邊延伸，變形量與壓縮載荷之間存在非線性關(guān)系，得出變形量等勢值與仿真時間數(shù)值解，花生仁最大變形量為花生殼32%。變形量仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，相對誤差為6.16%。

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Experimental and finite element simulation of typical peanut seeds shelling characteristics/

HOU Junming,YANG Yong,DONG Shuai,HE Tao,BAI Jingbo,LI Jinpeng
(School of Engineering,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)

In order to study the deformation and equivlent stress for peanut seeds during the processe of mechanical shelling,and improve the design of the shelling equipment,the single factor tests of peanut seeds were conducted.Two kinds of peanuts that cultivated in Liaoning Huyu 23 and Luhua 1 were selected as tested objects.The rupturing force and deformation were selected as the test indexes,the loading velocity,moisture content,loading method and variety as the influence factors.Based on ANSYS software,finite element model of peanut shell and peanut kernel were set up,and conducted static simulating for it.The results showed that the loading rate,moisture content,loading method and variety had significant influence on the rupturing force(p＜0.05);as the loading velocity increased by 25%,the rupture force and the deformation decreased by 7.54%and 2.11%;as the moisture content increased by 6.6%,the rupture force and the deformation were increased by 19.7%and 8.5%.The maximum deformation of peanut shell with different loading methods of in finite element simulation were 2.34 mm,3.23 mm and 3.86 mm,the relation between deformation and compressive load was nonlinear.The maximum deformation of peanut kernel was approximately 32%of peanut shell deformation.The simulation results were near to the experimental results.This study will providereference data for further improving the performare of peanut shelling machinekey components and reducing shelling damage.

peanut;mechanical property;finite element;compression test;ANSYS

S565.2

A

1005-9369（2017）11-0074-12

時間2017-12-7 12:38:36 [URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171207.1238.016.html

侯俊銘,楊勇,董帥,等.典型花生種子脫殼特性試驗及有限元仿真研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2017,48(11):74-85.

Hou Junming,Yang Yong,Dong Shuai,et al.Experimental and finite element simulation of typical peanut seeds shelling characteristics[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(11):74-85.(in Chinese with English abstract)

2017-08-22

國家自然基金項目（51475312）；中國博士后基金（2012M510077）

侯俊銘（1978-），男，博士，副教授，研究生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造。E-mail:junming_hou@163.com