【正文】 應(yīng)變圖 von Mises strain graph表2 核桃長軸施加均布線載荷的有限元分析結(jié)果Table 2 Walnut long axis of exerting uniform linear loads on finite element analysis results對比項(xiàng)等效應(yīng)力/N/mm2等效應(yīng)變/mm變形量/mDMXSMX2749比較應(yīng)力圖與應(yīng)變圖，應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域具有一定的相似性。因此可以確定核桃的破裂沒有方向性，沿加載線的方向應(yīng)力應(yīng)變最大，向兩側(cè)逐漸減小。相比在長軸施加集中力載荷，具有更大的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域?？梢灶A(yù)測其破裂形式為沿加載線區(qū)域向兩側(cè)破裂，但只能因此核桃的局部破裂。破裂的速率較大，相對于集中力加載破裂范圍較大，能基本滿足破殼的要求，但同時(shí)會(huì)有大量的碎仁產(chǎn)生。核桃長軸方向上施加均布面載荷示意圖如圖338所示圖338 核桃長軸均布面載荷示意圖 Walnut longaxis loading loading surface load diagram 對核桃長軸施加均布面載荷，大小為70N/ mm2，面積為10 mm2，方向?yàn)檠豘軸正方向。對核桃進(jìn)行有限元分析后得核桃的Z向變形圖、總應(yīng)力圖、總應(yīng)變圖分別如圖33圖3圖341所示。圖339 Z向變形圖 Walnut Zdisplacement結(jié)果分析： 由圖340的等效應(yīng)力圖可以看出，大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)集中分布在加載區(qū)域內(nèi)及兩側(cè)，同時(shí)在加載區(qū)域內(nèi)應(yīng)力大小基本無變化。在面載荷加載情況下，核桃的兩側(cè)也會(huì)受到應(yīng)力作用，造成破裂。 由圖339的Z向變形圖可以看出，核桃兩側(cè)的變形量分別為最大和最小變形區(qū)域。核桃的等效應(yīng)變圖如圖341所示與等效應(yīng)力圖相比，應(yīng)變區(qū)域較小?？梢灶A(yù)測，在承受長軸均布面載荷情況下，核桃的破裂形勢為在兩側(cè)破裂，沒有明確的方向性，但是破裂范圍比施加集中載荷時(shí)要大得多，能夠達(dá)到破殼率的要求。由于破裂沒有明顯的方向性，并且兩側(cè)存在的應(yīng)力會(huì)造成核桃產(chǎn)生很多的碎仁。將不能滿足整仁率的要求。表3 核桃長軸方向上施加均布面載荷的有限元分析結(jié)果Table 3 Walnut long axis of exerting uniform surface loads on finite element analysis results對比項(xiàng)等效應(yīng)力/N/mm2等效應(yīng)變/mm變形量/mDMXSMX圖340 總應(yīng)力圖 von Mises Stress圖341 總應(yīng)變圖 von Mises strain graph 核桃短軸方向上施加集中載荷核桃短軸方向施加集中載荷示意圖如圖334所示，圖342 核桃短軸加載集中力示意圖 Schematic shortaxis loading concentration of walnut對核桃短軸施加集中載荷，方向?yàn)閅軸負(fù)方向，大小為300N。對核桃進(jìn)行有限元分析以后可以得到如圖34圖34圖345所示的Y向形變圖、等效應(yīng)力圖、等效應(yīng)變圖。圖343 Y向變形圖 Ydisplacement結(jié)果分析在總應(yīng)力圖中可以看到，在集中力作用下，核桃的應(yīng)力區(qū)域很小，可以近似為以加載中為為原點(diǎn)的一個(gè)圓形區(qū)域，在加載中心的加載力最大。圖343是核桃的Y向變形圖，即沿載荷方向上的核桃變形。在加載點(diǎn)的核桃變形量最大，其變形區(qū)域也可以近似為圓形區(qū)域，與圖34圖345的等效應(yīng)力圖和等效應(yīng)變圖相似。因此在集中力加載情況下，核桃的應(yīng)力與應(yīng)變沒有明確的方向性，可以預(yù)測其破裂形式是沿著加載中心向四周擴(kuò)撒。但這樣職能引起核桃的局部破裂，破速率較大，但是產(chǎn)生的局部破碎點(diǎn)很少，會(huì)產(chǎn)生很多小的碎仁和碎殼，不利于脫殼。圖344 總應(yīng)力圖 von Mises Stress圖345 總應(yīng)變圖 von Mises strain graph表4：核桃短軸方向上施加集中載荷的有限元分析結(jié)果Table 4 Walnut short axis direction of exerting concentrated load finite element analysis results對比項(xiàng)等效應(yīng)力/N/mm2等效應(yīng)變/mm變形量/mDMXSMX3505 核核桃短軸上施加線性載荷核桃短軸方向上施加均勻線性載荷示意圖338所示圖346 核桃短軸加載均布線性載荷示意圖 short axis loading uniform linear load diagram核桃短軸加載區(qū)域?yàn)橹胁肯騼蓚?cè)個(gè)1mm，均布力為150N/mm。經(jīng)過分析處理可以得到核桃的等效應(yīng)力圖如圖347所示，核桃的應(yīng)力分布區(qū)域可以近似看為橢圓形，區(qū)域長軸方向與載荷加載方向相同，在線載荷的加載點(diǎn)處加載應(yīng)力最大，接近加載點(diǎn)處次之。核桃加載后的Y向變形圖如圖348所示，即沿載荷方向的核桃形變。在加載線上的核桃變形量最大，接近加載線區(qū)域的變形量次之。沿載荷向兩側(cè)的變形量逐漸減小。圖347 等效應(yīng)力圖 von Mises Stress圖348 Y向變形圖 Ydisplacement圖349 總應(yīng)變圖 von Mises strain graph圖349為等效應(yīng)變圖，與等效應(yīng)力云圖對應(yīng)，在均勻線性載荷作用下，核桃的應(yīng)力應(yīng)變具有方向性。即沿加載線的應(yīng)力、應(yīng)變最大，再有兩側(cè)向外逐漸較小。可以知道，在此加載情況下，核桃的破裂情況應(yīng)該是沿加載線破裂，核桃殼的變形量不大其可以產(chǎn)生多個(gè)局部裂紋點(diǎn)。裂紋點(diǎn)多則使裂紋易擴(kuò)展，可以說此時(shí)的核桃脫殼效果較好。表5：核桃短軸方向上施加均勻線載荷的有限元分析結(jié)果Table 5 Walnut short axis direction of uniform linear loads on finite element analysis results對比項(xiàng)等效應(yīng)力/N/mm2等效應(yīng)變/mm變形量mDMXSMX2764 核桃短軸上施加均布面載荷在核桃短軸方向上施加均勻面載荷示意圖如圖43所示圖350 核桃短軸加載面載荷示意圖 Walnut shortaxis loading surface load schemes核桃的加載區(qū)域?yàn)槭且院颂叶梯S頂點(diǎn)為中心的球冠區(qū)域，面積為10mm2，則均布壓強(qiáng)為30N/ mm2，經(jīng)分析處理后得到核桃的等效應(yīng)力圖如圖351所示。由等效應(yīng)力圖可以看出大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)集中在載荷加載區(qū)域，并且加載區(qū)域之外也存在很多小應(yīng)力。在面載荷加載下，核桃果殼兩側(cè)受到的應(yīng)力較大，將會(huì)同內(nèi)隔區(qū)域一起擠破，造成大量的碎仁，將滿足不了低碎仁率的要求。圖351等效應(yīng)力圖 von Mises Stress圖352 等效應(yīng)變圖 von Mises strain graph圖353 Y向變形圖 Ydisplacement如圖353是核桃受面載荷后的Y向變形圖，變形區(qū)域形狀和加載區(qū)域形狀相似，但比加載區(qū)域要大得多。核桃的等效應(yīng)變區(qū)域較小，與等效應(yīng)變圖有區(qū)別，如圖352所示為核桃的等效應(yīng)變圖?？梢灶A(yù)測在承受短軸向均布面載荷時(shí)，核桃的破裂形式與加載集中載荷時(shí)相似，沒有明確的方向性，但破裂范圍要比集中載荷作用時(shí)要大，能夠達(dá)到核桃破殼率的要求，但是碎仁也是比較多的，脫殼率和整仁率都不能達(dá)到要求，因此在核桃短軸施加面載荷的方式也不利于核桃的脫殼加工。表6 核桃短軸方向上施加均勻面載荷的有限元分析結(jié)果Table 6 Walnut shortaxis direction of uniform surface load on finite element analysis results對比項(xiàng)等效應(yīng)力/N/mm2等效應(yīng)變/mm變形量mDMXSMX 本章小結(jié)建立了核桃受靜態(tài)正壓力的有限元分析模型，選擇計(jì)算精度較高的二十節(jié)點(diǎn)六面體單元對果仁劃分網(wǎng)格，選擇能很好擬合殼體曲面形狀的八節(jié)點(diǎn)殼體單元對蓮殼劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，在果殼與果仁之間建立接觸對模擬核桃受力時(shí)果殼與果仁之間的相互作用。核桃長軸的三種施力方式對比可知，均不能滿足核桃破殼率和整仁率的雙向要求，并且由于核桃的長軸存在突起，不利于核桃的加載。核桃短軸的三種施力方式對比得知，只有在短軸上施加線性均布載荷時(shí)，才能保證破殼率和整仁率，施加集中載荷和面載荷的效果都沒有線載荷好。設(shè)定了六種加載情況，對核桃在這六種加載情況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析計(jì)算。通過以上分析對比來看，最佳的施力區(qū)域?yàn)楹颂业亩梯S，最佳脫殼的施力方式是沿核桃短軸方向加載均布線載荷，這時(shí)核桃的應(yīng)力、應(yīng)變分布有一定方向性，有利于裂紋擴(kuò)展，使核桃有效脫殼。四、結(jié)論與討論 結(jié)論利用所建立的核桃有限元模型，分別對核桃長軸方向施加集中載荷和對短軸方向施加集中載荷、均布線性載荷和局部面載荷的三種情況進(jìn)行了有限元分析，從而確定了核桃變性量不大且同時(shí)產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋易擴(kuò)展的最佳施力方法和施力位置。結(jié)果表明最佳破殼的施力方式是沿核桃短軸方向加均布線載荷。這時(shí)候核桃的應(yīng)力、應(yīng)變分布具有方向性，有利于裂紋擴(kuò)展，使核桃有效脫殼，實(shí)現(xiàn)核桃果殼破裂而果仁不碎。 討論（1）使用有限元軟件對核桃進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)只考慮了四種特定載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，與實(shí)際加工情況存在一定差異，因此可在必要的情況下根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行分析。（2）鑒于核桃加工應(yīng)用的前景廣泛，可考慮在后續(xù)開發(fā)上與機(jī)器視覺技術(shù)等智能技術(shù)相結(jié)合，與前后處理設(shè)備相集成，使核桃的生產(chǎn)加工完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化。參考文獻(xiàn)1. 曹玉華，李長友，卿艷梅等．蓖麻蒴果力學(xué)特性的有限元分析．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31，4，3833872. 丁正耀，朱德權(quán)，錢良存等．山核桃堅(jiān)果有限元模型建立及受力分析．業(yè)裝備與車輛工程，2010，6：693. 董遠(yuǎn)德，史建新，喬園園．農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊，2007，9：464. 龔曙光，ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析 20025. 攣玉振，袁明月，李云飛．松籽殼體特性參數(shù)的測試與靜力有限元計(jì)算．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1994，25，2：50556. 史建新，辛動(dòng)軍．國內(nèi)外核桃破殼取仁機(jī)械的現(xiàn)狀及問題探討．新疆農(nóng)機(jī)化，2001，6：29327. 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