【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 easily extending was found．Keywords：breaking walnut shell；geometry model；finite element analysis；mechanical analysis33第一章 緒論、課題的目的和意義核桃又名胡桃、羌桃、合桃等，享有“長(zhǎng)壽果”之美譽(yù)，是理想的滋補(bǔ)食品。所含的脂肪蛋白質(zhì)量多質(zhì)優(yōu)，還含有糖分、多種維生素、鈣、磷、鎂、鉀、錳、路等礦物質(zhì)，以及躁質(zhì)、纖維素、戊聚糖等。據(jù)分析：500克核桃肉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，相當(dāng)于雞蛋2500克，牛奶4750克或豬肉1500克，可見(jiàn)，核桃的營(yíng)養(yǎng)值價(jià)是相當(dāng)可觀的。隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加，如何對(duì)核桃進(jìn)行深加工，以提高它的附加值等問(wèn)題就突現(xiàn)出來(lái)。核桃脫殼取仁是核桃深加工的第一步，必須首先解決。核桃剝殼技術(shù)的水平，直接影響到核桃的脫殼質(zhì)量，進(jìn)而影響到核桃的進(jìn)一步加工。由于核桃形狀不規(guī)則、尺寸差異較大、殼仁之間間隙小，殼完全破裂所要求的變形量大。目前國(guó)內(nèi)使用的機(jī)械破殼裝備由于施力方式不合理，果仁的破碎率較大，脫殼率、整仁率及設(shè)備性價(jià)等方面滿足不了要求。核桃與其他堅(jiān)果在結(jié)構(gòu)上存在著很大的區(qū)別．而且目前國(guó)內(nèi)外對(duì)核桃機(jī)械特性與破殼機(jī)理的研究相對(duì)較少 [2]。用一般的機(jī)械擠壓方法破殼必將造成大量的碎仁，對(duì)于固定擠壓間隙的破殼裝置來(lái)說(shuō)，擠壓間隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一開(kāi)度內(nèi)破殼，會(huì)出現(xiàn)小尺寸核桃難以破殼而大尺寸核桃仁的破碎率高的現(xiàn)象[18]。因此為了很好的破殼而又保證仁不破碎，就需要：① 擠壓間隙與核桃尺寸相適應(yīng)，有必要在破殼前對(duì)核桃進(jìn)行分級(jí)；②合理施力使核桃產(chǎn)生裂紋且變形量小，這是提高核桃破殼機(jī)破殼質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一， 因此有必要對(duì)核桃的施力方式及結(jié)果進(jìn)行有限元受力分析；③裂紋的擴(kuò)展是核桃完全破殼的基本條件，按核桃正確姿態(tài)喂人進(jìn)行破殼是裂紋擴(kuò)展的條件，有必要進(jìn)行破殼前的導(dǎo)向 [7]。、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 [13]。對(duì)于核桃剝殼技術(shù)，剝殼機(jī)可以代表技術(shù)的發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)核桃破殼取仁有這樣幾種方法：離心碰撞式破殼法化學(xué)腐蝕法真空破殼取仁法超聲波破殼法定間隙擠壓破殼法。第一種方法，碎仁太多，所以應(yīng)用很少；第二種方法，由于在實(shí)際操作中不好控制，仁易受到腐蝕，處理不好還會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染，因此人們不接受；第三，四種方法設(shè)備昂貴，破殼成本高，且破殼效果不夠理想；第五種方法是一個(gè)值得探索的方向 [6]。（一）核桃分級(jí)裝置核桃分級(jí)裝置是定間隙擠壓破殼機(jī)的必要裝置，對(duì)于具有固定間隙的核桃破殼機(jī)來(lái)說(shuō)，物料尺寸必須與固定間隙的大小相適應(yīng)，尺寸大了仁會(huì)被擠碎，尺寸小了殼破不開(kāi)，常見(jiàn)的核桃分級(jí)裝置有以下幾種：(1)錐輥式分級(jí)裝置(2)圓孔篩分級(jí)裝置(3)平面振動(dòng)篩分級(jí)裝置（二）核桃剝殼裝置 目前,核桃破殼機(jī)的種類較少,大多采用定間隙多點(diǎn)擠壓破殼。這種破殼方式存在一些不足,高路仁比率與破殼率不能兼顧,所以綜合破殼效果不理想 [3]。核桃破殼裝置是核桃破殼取仁機(jī)的核心裝置常見(jiàn)的破殼裝置有以下幾種[20]：（1）對(duì)輥窩眼式開(kāi)口裝置（2）雙齒盤齒板式破殼裝置（3）變形恒定破殼裝置（4）內(nèi)外磨核桃破殼裝置（5）圓盤破殼裝置（6）弧板滾筒破殼裝置（7）核桃鋸口破殼裝置（8）沖壓式破殼裝置（9）核桃破殼挖核裝置（三）殼仁分離裝置殼仁分離問(wèn)題是核桃破殼取仁的難題之一。目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到好的分離方法和分離設(shè)備的報(bào)道，而國(guó)外雖然很好地解決了殼仁分離的問(wèn)題，但設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜，對(duì)于加工能力有限的工廠和個(gè)人來(lái)說(shuō)，是很難接受的[21]。以下對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。（1）機(jī)械法分離殼和仁目前利用機(jī)械法分離殼和仁的裝置主要有以下三種：(1) 絨輥分離殼仁(2) (2)帶式分離殼仁(3) 輪齒撥殼分離殼仁（2）磁選法分離殼和仁(1)絨輥分離殼仁(2)帶式分離殼仁(3)輪齒撥殼分離殼仁（四）磁選法分離殼和仁由上述可以看出：核桃剝殼技術(shù)隨著需求的變化越來(lái)越多樣化，剝殼技術(shù)也越來(lái)越多樣化。但由于核桃的品種多樣化及核桃外形的不規(guī)則，導(dǎo)致核桃的剝殼效率仍不能滿足人們的需求。（一）有限元機(jī)理有限元法也叫有限單元法（finite element method, FEM），是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種彈性力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值求解方法。有限單元法(FEM)作為一種實(shí)用性很強(qiáng)的數(shù)值模擬方法，在許多工程分析中得到廣泛應(yīng)用，如固體力學(xué)中的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析、電磁學(xué)中的電磁場(chǎng)分析、振動(dòng)特性分析、傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析、流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析等[4]。這些問(wèn)題的共同點(diǎn)是它們都可以歸結(jié)為在給定邊界條件下求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的問(wèn)題。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元(Element )的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。在實(shí)踐中，有限元分析法通常由三個(gè)主要步驟組成（David Roylance 2001）：預(yù)處理：用戶需建立物體待分析部分的模型，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個(gè)離散的子區(qū)域——或稱為“單元”。各單元在一些稱為“結(jié)點(diǎn)”的離散點(diǎn)上相互連接。這些結(jié)點(diǎn)中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準(zhǔn)備這樣的模型可能極其耗費(fèi)時(shí)間，所以商用程序之間的相互競(jìng)爭(zhēng)就在于：如何用最友好的圖形化界面的“預(yù)處理模塊”，來(lái)幫助用戶完成這項(xiàng)繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計(jì)算機(jī)化的畫圖和設(shè)計(jì)過(guò)程的組成部分，可在先前存在的CAD文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。分析：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構(gòu)成并求解用線性或非線性代數(shù)方程表示的系統(tǒng)Kijuj=fi式中，u 和 f 分別為各結(jié)點(diǎn)的位移和作用的外力。矩陣 K 的形式取決于求解問(wèn)題的類型，本模塊將概述桁架與線彈性體應(yīng)力分析的方法。商用程序可能帶有非常大的單元庫(kù)，不同類型的單元適用于范圍廣泛的各類問(wèn)題。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是：許多不同類型的問(wèn)題都可用相同的程序來(lái)處理，區(qū)別僅在于從單元庫(kù)中指定適合于不同問(wèn)題的單元類型。后處理：在有限元分析的早期，用戶需仔細(xì)地研讀程序運(yùn)算后產(chǎn)生的大量數(shù)字，即列出的模型內(nèi)各離散位置處的位移和應(yīng)力。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點(diǎn)，而最新的程序則利用圖形顯示來(lái)幫助用戶直接觀察運(yùn)算結(jié)果。典型的后處理模塊能顯示遍布于模型上的彩色等應(yīng)力線圖，以表示不同的應(yīng)力水平，顯示的整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)的圖像類似于光彈性法或云紋法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（二） 有限元的應(yīng)用目前，有限元方法在堅(jiān)果力學(xué)分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，為堅(jiān)果破殼設(shè)備的研制提供有效的理論依據(jù)[12]。吳斌芳等（1996）應(yīng)用薄殼理論和斷裂理論對(duì)綿核桃進(jìn)行力學(xué)分析，并通過(guò)試臉驗(yàn)證，得到了綿核桃機(jī)械剝殼取仁的重要參數(shù)[10]。吳子岳（1995）將核桃殼簡(jiǎn)化成各項(xiàng)同鄉(xiāng)性的均勻厚度的薄球殼，利用薄球殼理論進(jìn)行應(yīng)力和形變分析，得出兩對(duì)法向集中力有利于核桃殼完全均勻破裂的結(jié)理論[8][9]。王靈軍等利用有限元方法分析了銀杏在各種施力狀態(tài)下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，找出了最佳的施力方向和施力方式，對(duì)脫殼設(shè)備的研制提供了理論的依據(jù)[14]。攣玉振等（1994）通過(guò)對(duì)松籽殼體工程特性參數(shù)的測(cè)試和靜力有限元計(jì)算拿得出有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)相比誤差約為16%[5]。張榮榮等（2008年）利用有限元法對(duì)板栗的力學(xué)特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所建模型的合理性[16]。（， Baerdemaeker）利用有限元法檢測(cè)水果的堅(jiān)度。把蘋果和菠蘿建立成為65節(jié)點(diǎn)48單元的模型，進(jìn)而分析水果的堅(jiān)度。把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成為以楊氏模量為縱坐標(biāo)，水果堅(jiān)度為橫坐標(biāo)的曲線圖，并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出結(jié)論[17]。謝麗娟等（2006）建立了蓮子受靜態(tài)正壓力的有限元分析模型，設(shè)定了短軸方向加載集中力、加載均布的線載荷、加載一定區(qū)域內(nèi)的面載荷3種受力工況，對(duì)蓮子在該3種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析計(jì)算。分析結(jié)果表明，最佳脫殼的施力方式是在蓮子短軸方向加載沿長(zhǎng)軸均布的線載荷，這時(shí)蓮子的應(yīng)力、應(yīng)變分布有一定方向性，有利于裂紋擴(kuò)展，使蓮子有效脫殼，從而為脫殼設(shè)備的研制提供了參考依據(jù)[15]。針對(duì)山核桃果殼完全破裂所需的變形量大于殼仁間隙，用一般的機(jī)械擠壓方法破殼會(huì)造成大量碎仁等問(wèn)題。利用Pro／E軟件建立了山核桃的幾何模型。采用有限元分析方法構(gòu)建了山核桃破殼受力模型，并對(duì)山核桃進(jìn)行了受力機(jī)械剝殼取仁的重模擬與分析。根據(jù)不同受力方向和不同栽荷下山核桃的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，確定山核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳施力方式，為山核桃破殼取仁設(shè)備的研制提供依據(jù)（丁正耀等2010年）[2]。曹玉華等（2010）應(yīng)用有限元分析方法對(duì)蓖麻蒴果在壓載作用下頂部和中部的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，：蓖麻蒴果果殼破裂的主要原因是由最大拉應(yīng)力引起果殼破裂。頂部壓載荷作用時(shí)，最大拉應(yīng)力的位置在蒴果果柄頂部中縫處,拉應(yīng)力引起中果皮內(nèi)面產(chǎn)生裂紋；而中部壓載荷作用時(shí)，最大拉應(yīng)力的位置出現(xiàn)在蒴果中果皮中縫的兩端，拉應(yīng)力也引起中果皮四周角靠近直線處的內(nèi)面產(chǎn)生裂紋[1]。由以上研究可以得出這樣的結(jié)論：即使是很復(fù)雜的應(yīng)力問(wèn)題的數(shù)值解，現(xiàn)在用有限元分析的常規(guī)方法就能得到。相比較普通的處理方法，有限元法有著更加優(yōu)越的效果。采用有限元方法建立模型，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行應(yīng)力的虛擬研究是可行的。并且能夠通過(guò)對(duì)模型的研究得出相應(yīng)的研究數(shù)據(jù)，從而為研究提供合理的數(shù)據(jù)來(lái)供參考。、本文研究的內(nèi)容及意義采用ANSYS軟件建立核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，對(duì)核桃在幾種載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，找出核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳的施力方式。（存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)）分析國(guó)內(nèi)外的核桃剝殼技術(shù)，由于核桃的形狀的不規(guī)則、尺寸差異較大。造成目前多采用的機(jī)械破殼裝置的施力方式不合理，對(duì)于剝殼取仁存在許多的困難，容易造成破碎率，整仁率等不能滿足人們的需求。對(duì)于現(xiàn)存的核桃剝殼機(jī)械，都存在一定的技術(shù)缺陷，并且核桃的不同品種同樣存在不同的物理特性，這也給脫殼造成很多的困難。與普通的實(shí)驗(yàn)方法相比，采用有限元的方法能夠更加快速、便捷地得出結(jié)論。所以在本課題中，采用有限元作為基礎(chǔ)對(duì)核桃的最佳破殼位置進(jìn)行分析計(jì)算，從而達(dá)到對(duì)核桃剝殼技術(shù)的研究。第二章 核桃的物理特性和幾何尺寸本課題以紙皮核桃為研究對(duì)象，其外觀如圖21，有圖可以看出核桃的形狀不規(guī)則，試驗(yàn)樣品采用的是近似橢圓的核桃模型，核桃外形圖如圖1。取若干個(gè)核桃模型，分別測(cè)量其在XYZ三個(gè)方向上的尺寸，求得其平均值分別為27mm、25mm、30mm，圖2為核桃尺寸圖。假設(shè)核桃外殼是均勻的，核桃殼的平均厚度為1mm。由于單個(gè)核桃的質(zhì)量很小，這里假設(shè)核桃沒(méi)有重量，同時(shí)核桃殼和核桃仁之間沒(méi)有相對(duì)的滑動(dòng)。核桃的果仁和果殼屬于不同的兩種材質(zhì)，核桃的剛度相當(dāng)于果仁來(lái)說(shuō)要大很多倍，故他們的彈性模量必然不同。將果仁和果殼的材料近似假定為各向同性材料，即材料單元的橫向、縱向及切向彈性模量相等。通過(guò)查閱資料及類比木質(zhì)，核桃殼體的彈性模量為10Mpa，果仁彈性模量為果殼的1/10，取1Mpa。參照其他堅(jiān)果的泊松比。圖21核桃外觀照片 Photo of walnut appearance 圖22核桃?guī)缀纬叽鐖D Geometric dimensions of walnut第三章 有限元分析核桃由果仁和果殼組成，由于有限元軟件的建模功能較弱，而三維軟件具有較強(qiáng)的建模功能，所以采用proe三維建模建立核桃的實(shí)體模型。通過(guò)ANSYS與Pro/e之間的圖形接口將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。由于核桃果實(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以采用1/2的對(duì)稱模型來(lái)進(jìn)行分析。如圖31是核桃的1/2實(shí)體模型。圖31 核桃1/2實(shí)體模型 Half model of walnut從分析對(duì)象的特點(diǎn)和計(jì)算精度要求出發(fā)，在核桃有限元分析過(guò)程中，選擇計(jì)算精度較高的二十節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)核桃仁劃分網(wǎng)格，選擇能很好擬合殼體曲面形狀的八節(jié)點(diǎn)殼體單元對(duì)核桃殼劃分網(wǎng)格。在核桃受力分析中，不僅對(duì)核桃殼在載荷作用下的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行分析，而且考慮了核桃外殼與核桃仁之間的相互作用。為了模擬這種相互作用，在核桃?guī)缀文Ｐ偷挠邢拊Ｐ突^(guò)程中引入了接觸單元。(SOLID95)SOLID95單元是ANSYS中較常用的實(shí)體單元，尤其是SOLID45。而SOLID95是比SOLID45高階的單元，因?yàn)橄鄬?duì)于八節(jié)點(diǎn)六面體的SOHD45單元，SOLID95在每條單元棱邊中部還有一個(gè)邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)(Midside Node)，屬于二次單元(QuadraticElement)，如圖32所示。由于包含邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)，因此SOLID95可以在不降低精度的情況下較好模擬不規(guī)則曲面形狀，很適合實(shí)現(xiàn)彎曲邊界建模。圖32 SOLID95單元的幾何表示 SOLID95 Geometry(SHELL93)ANSYS對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的處理有兩種方法．分別是平板殼元和曲面殼元。平板單元的優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)格式簡(jiǎn)單，如果采用曲面單元，則可以更好地反映殼體的真實(shí)幾何形狀，在單元尺寸大小相同的情況下，通?？梢缘玫奖绕桨鍐卧玫男Ч?。SHELL93單元特別適合于曲殼建模。圖3是SHELL93單元的幾何表示，它的每條棱邊中部有一個(gè)邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)，也屬于二次單元，具有較高的計(jì)算精度。圖33 SHELL93單元的幾何表示 SHELL93 Geometry．接觸單元(CONlAl74和TARGEl70)ANSYS支持三種接觸方式：面一面接觸(Surface．to．Surface Contact)，點(diǎn)一面接觸(Node—to．Surface Contact)，點(diǎn)一點(diǎn)接觸(Node—to．Node Contact)。本文研究的核桃受力有限元分析屬于面一面接觸問(wèn)題。在涉及到兩個(gè)邊界的接觸問(wèn)題中，把一個(gè)邊界作為目標(biāo)面(Target Surface)，而把另一個(gè)作為接觸面(Contact Surface)，