【文章內容簡介】 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“長壽果”之美譽，是理想的滋補食品。所含的脂肪蛋白質量多質優(yōu)，還含有糖分、多種維生素、鈣、磷、鎂、鉀、錳、路等礦物質，以及躁質、纖維素、戊聚糖等。據(jù)分析：500克核桃肉的營養(yǎng)價值，相當于雞蛋2500克，牛奶4750克或豬肉1500克，可見，核桃的營養(yǎng)值價是相當可觀的。隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加，如何對核桃進行深加工，以提高它的附加值等問題就突現(xiàn)出來。核桃脫殼取仁是核桃深加工的第一步，必須首先解決。核桃剝殼技術的水平，直接影響到核桃的脫殼質量，進而影響到核桃的進一步加工。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。目前國內使用的機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、整仁率及設備性價等方面滿足不了要求。核桃與其他堅果在結構上存在著很大的區(qū)別．而且目前國內外對核桃機械特性與破殼機理的研究相對較少 [2]。用一般的機械擠壓方法破殼必將造成大量的碎仁，對于固定擠壓間隙的破殼裝置來說，擠壓間隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一開度內破殼，會出現(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，有必要在破殼前對核桃進行分級；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破殼質量的關鍵因素之一， 因此有必要對核桃的施力方式及結果進行有限元受力分析；③裂紋的擴展是核桃完全破殼的基本條件，按核桃正確姿態(tài)喂人進行破殼是裂紋擴展的條件，有必要進行破殼前的導向 [7]。、國內外發(fā)展現(xiàn)狀 [13]。對于核桃剝殼技術，剝殼機可以代表技術的發(fā)展。一般來說核桃破殼取仁有這樣幾種方法：離心碰撞式破殼法化學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，所以應用很少；第二種方法，由于在實際操作中不好控制，仁易受到腐蝕，處理不好還會造成對環(huán)境的污染，因此人們不接受；第三，四種方法設備昂貴，破殼成本高，且破殼效果不夠理想；第五種方法是一個值得探索的方向 [6]。（一）核桃分級裝置核桃分級裝置是定間隙擠壓破殼機的必要裝置，對于具有固定間隙的核桃破殼機來說，物料尺寸必須與固定間隙的大小相適應，尺寸大了仁會被擠碎，尺寸小了殼破不開，常見的核桃分級裝置有以下幾種：(1)錐輥式分級裝置(2)圓孔篩分級裝置(3)平面振動篩分級裝置（二）核桃剝殼裝置 目前,核桃破殼機的種類較少,大多采用定間隙多點擠壓破殼。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的核心裝置常見的破殼裝置有以下幾種[20]：（1）對輥窩眼式開口裝置（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題是核桃破殼取仁的難題之一。目前國內尚未見到好的分離方法和分離設備的報道，而國外雖然很好地解決了殼仁分離的問題，但設備成本高，工藝復雜，對于加工能力有限的工廠和個人來說，是很難接受的[21]。以下對現(xiàn)有設備和方法進行簡單介紹。（1）機械法分離殼和仁目前利用機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：核桃剝殼技術隨著需求的變化越來越多樣化，剝殼技術也越來越多樣化。但由于核桃的品種多樣化及核桃外形的不規(guī)則，導致核桃的剝殼效率仍不能滿足人們的需求。（一）有限元機理有限元法也叫有限單元法（finite element method, FEM），是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種彈性力學問題的數(shù)值求解方法。有限單元法(FEM)作為一種實用性很強的數(shù)值模擬方法，在許多工程分析中得到廣泛應用，如固體力學中的位移場和應力場分析、電磁學中的電磁場分析、振動特性分析、傳熱學中的溫度場分析、流體力學中的流場分析等[4]。這些問題的共同點是它們都可以歸結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、且按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元(Element )的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結方式進行組合，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雜的求解域。在實踐中，有限元分析法通常由三個主要步驟組成（David Roylance 2001）：預處理：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離散的子區(qū)域——或稱為“單元”。各單元在一些稱為“結點”的離散點上相互連接。這些結點中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準備這樣的模型可能極其耗費時間，所以商用程序之間的相互競爭就在于：如何用最友好的圖形化界面的“預處理模塊”，來幫助用戶完成這項繁瑣乏味的工作。有些預處理模塊作為計算機化的畫圖和設計過程的組成部分，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：把預處理模塊準備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構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 分別為各結點的位移和作用的外力。矩陣 K 的形式取決于求解問題的類型，本模塊將概述桁架與線彈性體應力分析的方法。商用程序可能帶有非常大的單元庫，不同類型的單元適用于范圍廣泛的各類問題。有限元法的主要優(yōu)點之一就是：許多不同類型的問題都可用相同的程序來處理，區(qū)別僅在于從單元庫中指定適合于不同問題的單元類型。后處理：在有限元分析的早期，用戶需仔細地研讀程序運算后產(chǎn)生的大量數(shù)字，即列出的模型內各離散位置處的位移和應力。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點，而最新的程序則利用圖形顯示來幫助用戶直接觀察運算結果。典型的后處理模塊能顯示遍布于模型上的彩色等應力線圖，以表示不同的應力水平，顯示的整個應力場的圖像類似于光彈性法或云紋法的實驗結果。（二） 有限元的應用目前，有限元方法在堅果力學分析領域中應用廣泛，為堅果破殼設備的研制提供有效的理論依據(jù)[12]。吳斌芳等（1996）應用薄殼理論和斷裂理論對綿核桃進行力學分析，并通過試臉驗證，得到了綿核桃機械剝殼取仁的重要參數(shù)[10]。吳子岳（1995）將核桃殼簡化成各項同鄉(xiāng)性的均勻厚度的薄球殼，利用薄球殼理論進行應力和形變分析，得出兩對法向集中力有利于核桃殼完全均勻破裂的結理論[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)下的應力分布進行分析，找出了最佳的施力方向和施力方式，對脫殼設備的研制提供了理論的依據(jù)[14]。攣玉振等（1994）通過對松籽殼體工程特性參數(shù)的測試和靜力有限元計算拿得出有限元計算結果與試驗測試結果數(shù)據(jù)相比誤差約為16%[5]。張榮榮等（2008年）利用有限元法對板栗的力學特性進行分析，驗證了所建模型的合理性[16]。（， Baerdemaeker）利用有限元法檢測水果的堅度。把蘋果和菠蘿建立成為65節(jié)點48單元的模型，進而分析水果的堅度。把實驗數(shù)據(jù)繪制成為以楊氏模量為縱坐標，水果堅度為橫坐標的曲線圖，并且與實驗數(shù)據(jù)進行比較得出結論[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)域內的面載荷3種受力工況，對蓮子在該3種工況下的應力、應變情況進行分析計算。分析結果表明，最佳脫殼的施力方式是在蓮子短軸方向加載沿長軸均布的線載荷，這時蓮子的應力、應變分布有一定方向性，有利于裂紋擴展，使蓮子有效脫殼，從而為脫殼設備的研制提供了參考依據(jù)[15]。針對山核桃果殼完全破裂所需的變形量大于殼仁間隙，用一般的機械擠壓方法破殼會造成大量碎仁等問題。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建了山核桃破殼受力模型，并對山核桃進行了受力機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力應變分布情況，確定山核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點多、裂紋點易擴展的最佳施力方式，為山核桃破殼取仁設備的研制提供依據(jù)（丁正耀等2010年）[2]。曹玉華等（2010）應用有限元分析方法對蓖麻蒴果在壓載作用下頂部和中部的應力分布進行分析，：蓖麻蒴果果殼破裂的主要原因是由最大拉應力引起果殼破裂。頂部壓載荷作用時，最大拉應力的位置在蒴果果柄頂部中縫處,拉應力引起中果皮內面產(chǎn)生裂紋；而中部壓載荷作用時，最大拉應力的位置出現(xiàn)在蒴果中果皮中縫的兩端，拉應力也引起中果皮四周角靠近直線處的內面產(chǎn)生裂紋[1]。由以上研究可以得出這樣的結論：即使是很復雜的應力問題的數(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，對研究對象進行應力的虛擬研究是可行的。并且能夠通過對模型的研究得出相應的研究數(shù)據(jù)，從而為研究提供合理的數(shù)據(jù)來供參考。、本文研究的內容及意義采用ANSYS軟件建立核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，對核桃在幾種載荷作用下的應力分布規(guī)律進行分析，找出核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點多、裂紋點易擴展的最佳的施力方式。（存在問題和發(fā)展趨勢）分析國內外的核桃剝殼技術，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械破殼裝置的施力方式不合理，對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。對于現(xiàn)存的核桃剝殼機械，都存在一定的技術缺陷，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。與普通的實驗方法相比，采用有限元的方法能夠更加快速、便捷地得出結論。所以在本課題中，采用有限元作為基礎對核桃的最佳破殼位置進行分析計算，從而達到對核桃剝殼技術的研究。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象，其外觀如圖21，有圖可以看出核桃的形狀不規(guī)則，試驗樣品采用的是近似橢圓的核桃模型，核桃外形圖如圖1。取若干個核桃模型，分別測量其在XYZ三個方向上的尺寸，求得其平均值分別為27mm、25mm、30mm，圖2為核桃尺寸圖。假設核桃外殼是均勻的，核桃殼的平均厚度為1mm。由于單個核桃的質量很小，這里假設核桃沒有重量，同時核桃殼和核桃仁之間沒有相對的滑動。核桃的果仁和果殼屬于不同的兩種材質，核桃的剛度相當于果仁來說要大很多倍，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。通過查閱資料及類比木質，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的建模功能，所以采用proe三維建模建立核桃的實體模型。通過ANSYS與Pro/e之間的圖形接口將實體模型導入ANSYS軟件中。由于核桃果實結構的對稱性，可以采用1/2的對稱模型來進行分析。如圖31是核桃的1/2實體模型。圖31 核桃1/2實體模型 Half model of walnut從分析對象的特點和計算精度要求出發(fā)，在核桃有限元分析過程中，選擇計算精度較高的二十節(jié)點六面體單元對核桃仁劃分網(wǎng)格，選擇能很好擬合殼體曲面形狀的八節(jié)點殼體單元對核桃殼劃分網(wǎng)格。在核桃受力分析中，不僅對核桃殼在載荷作用下的應力與應變進行分析，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^程中引入了接觸單元。(SOLID95)SOLID95單元是ANSYS中較常用的實體單元，尤其是SOLID45。而SOLID95是比SOLID45高階的單元，因為相對于八節(jié)點六面體的SOHD45單元，SOLID95在每條單元棱邊中部還有一個邊內節(jié)點(Midside Node)，屬于二次單元(QuadraticElement)，如圖32所示。由于包含邊內節(jié)點，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，很適合實現(xiàn)彎曲邊界建模。圖32 SOLID95單元的幾何表示 SOLID95 Geometry(SHELL93)ANSYS對殼體結構的處理有兩種方法．分別是平板殼元和曲面殼元。平板單元的優(yōu)點是表達格式簡單，如果采用曲面單元，則可以更好地反映殼體的真實幾何形狀，在單元尺寸大小相同的情況下，通常可以得到比平板單元更好的效果。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邊內節(jié)點，也屬于二次單元，具有較高的計算精度。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)，點一面接觸(Node—to．Surface Contact)，點一點接觸(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題。在涉及到兩個邊界的接觸問題中，把一個邊界作為目標面(Target Surface)，而把另一個作為接觸面(Contact Surface)，