【正文】 最后，在大學(xué)四年的生活即將結(jié)束之際，向我所有的老師們表示誠摯的謝意，你們一絲不茍的治學(xué)態(tài)度、扎實(shí)求是的科研風(fēng)范、忘我進(jìn)取的工作精神是我學(xué)習(xí)的榜樣，也將是我受益終。論文從選題到試驗直至最后的撰寫定稿，每一個環(huán)節(jié)都凝聚了徐老師大量的心血。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，2010，31，4，3833872. 丁正耀，朱德權(quán)，錢良存等．山核桃堅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 討論（1）使用有限元軟件對核桃進(jìn)行分析計算時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。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。通過以上分析對比來看，最佳的施力區(qū)域為核桃的短軸，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。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，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。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果殼與果仁之間的相互作用?？梢灶A(yù)測在承受短軸向均布面載荷時，核桃的破裂形式與加載集中載荷時相似，沒有明確的方向性，但破裂范圍要比集中載荷作用時要大，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。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。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。裂紋點(diǎn)多則使裂紋易擴(kuò)展，可以說此時的核桃脫殼效果較好。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。沿載荷向兩側(cè)的變形量逐漸減小。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。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)域為中部向兩側(cè)個1mm，均布力為150N/mm。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。圖343是核桃的Y向變形圖，即沿載荷方向上的核桃變形。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。將不能滿足整仁率的要求?？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要大得多，能夠達(dá)到破殼率的要求。 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。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)，同時在加載區(qū)域內(nèi)應(yīng)力大小基本無變化。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，方向為沿Z軸正方向。可以預(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。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。沿載荷向兩側(cè)逐漸減小。圖335 核桃Z向變形圖 Walnut Zdisplacement結(jié)果分析由總應(yīng)力圖可以看出，由于為1/2模型，核桃的應(yīng)力分布區(qū)域為1/2橢圓區(qū)域，區(qū)域的長軸方向與加載方向一致，在線性載荷加載點(diǎn)處的應(yīng)力最大，接近加載點(diǎn)處次之。在這種情況下，會出現(xiàn)果仁隨著果殼一起破碎，達(dá)不到破殼率和整仁率的要求。圖8為核桃的Z向變形圖，在載荷加載點(diǎn)附近核桃的型變量最大。（8） 在Item to becontoured（等值線顯示結(jié)果項）域中選擇Stress項（9） 在列表框中選擇von Mises Stress選項，單擊OK按鈕，圖形窗口顯示出von Mises等效應(yīng)力分布圖，如圖34所示。（2） 拾取頂點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)（3） 在選取對話框中選擇OK（4） 選擇FZ（5） 在VALUE中輸入300N（6） 選擇OK，如圖325所示圖325 施加載荷 Applied load（7）施加約束所得圖形如圖27所示圖326 核桃受力的有限元模型 Walnut finite element model of the force 進(jìn)行求解（1） 選擇主菜單Main Menu：Solution＞Solve＞Current LS（2） 查看狀態(tài)窗口中的信息，然后選擇Fill＞Close，如圖327所示圖327 信息窗口 Information window（3） 選擇OK開始計算（4） 當(dāng)出現(xiàn)“Solution is done！”提示后，選擇Close關(guān)閉窗口，如圖328所示圖328 提示求解完成 Clew solving plete 查看結(jié)果（1） 從主菜單中選擇Main Menu：General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Deformed Shape（2） 彈出對話框如圖329所示，勾選Def+undeformed，點(diǎn)擊OK圖329 選擇變形形狀 Choose deformation shapes（3） 從主菜單中選擇Main Menu：General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodel Solu命令，打開Contour Nodel Solution Data（等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)）對話框如圖330所示圖330 等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)對話框Fig330 Contour Nodel Solution Data dialog box（4） 在Item to becontoured（等值線顯示結(jié)果項）域中選擇DOF Solution項（5） 在列表中選擇ZComponent of displacement生成如圖331所示核桃Z向形變圖圖331 核桃Z向變形圖 Walnut Zdisplacement（6） 在Item to becontoured（等值線顯示結(jié)果項）域中選擇Total strain項。（2）拾取核桃最低端節(jié)點(diǎn)，單擊OK，如圖323所示。 核桃在長軸方向上施加集中載荷核桃長軸方向所受集中載荷示意圖如圖322所示，施加載荷大小為700N，并分析核桃有限元的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖，以及在Z軸方向上的位移云圖。通常施加載荷方式有四種：在核桃長軸方向施加載荷 在核桃的短軸方向施加集中載荷 在核桃的短軸施加均勻的線性載荷 在核桃的短軸方向施加均勻的面載荷。（6）關(guān)閉Contact Manager對話框。彈出如圖321的對話框（5）點(diǎn)擊Creat按鈕，完成接觸對的創(chuàng)建。（4）目標(biāo)面選擇完成后點(diǎn)擊Next按鈕，彈出新的對話框，點(diǎn)擊Pick Targer按鈕，彈出新的對話框，利用光標(biāo)選擇接觸面。利用光標(biāo)選擇核桃外殼的內(nèi)表面。對于接觸對選用CONTA174與TARGE170，目標(biāo)面為核桃外殼的內(nèi)表面。圖318接觸管理 Contact Manager（2）點(diǎn)擊左上角按鈕，彈出如圖319所示Contact Wizard對話框。（6） 點(diǎn)擊Close，關(guān)閉Mesh Tool對話框，完成對模型網(wǎng)格的劃分。（4） 選擇Mesh Tool上端的Set按鈕，出現(xiàn)如圖316對話框，在Element type number選項中選擇2 SOLID95，然后點(diǎn)擊OK按鈕，返回Mesh Tool對話框。圖315 網(wǎng)格工具 Mesh Tool dialog box（2） 點(diǎn)擊選擇Smart Size復(fù)選框，調(diào)整大小為1，在Mesh選項框中選擇Areas。（7）關(guān)閉對話框，退出定義材料模型屬性窗口，完成對材料屬性的定義。出現(xiàn)如圖14對話框。（5）點(diǎn)擊圖313中左上角的Material，選擇New Model。將打開1號材料的彈性模量EX個泊松比PRXY的定義對話框，如圖313所示。（1）從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor＞Material Props＞Material Model命令，將打開Define Material Model Behavior（定義材料模型屬性）窗口，如圖312所示。完成后點(diǎn)擊OK按鈕，關(guān)閉實(shí)常數(shù)集對話框，返回到實(shí)常數(shù)設(shè)置對話框。圖35 選擇對話框 Chosing dialog box圖36 模型輸入對話框 Model input dialog box圖37 單元類型庫對話框 Unit Type Library dialog box圖38 單元類型庫對話框 Library of Element Types dialog box（1）從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/Delete命令，打開如圖39所示的Real Constants（實(shí)常數(shù)）對話框圖39 實(shí)常數(shù)對話框 Real Constants dialog box（2）單擊Add按鈕，打開如圖310所示的Element Type（實(shí)常數(shù)單元類型）對話框，要求選擇預(yù)定義的實(shí)常數(shù)的單元類型。單擊OK按鈕，接受選項，自動關(guān)閉對話框。點(diǎn)擊OK按鈕，自動關(guān)閉對話框。（2）從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，將打開Element Type（單元類型）對話框.（3）單擊Add按鈕，將打開的Library of Element Type（單元類型庫），如圖37所示。圖34 面—面接觸對的幾何表示 Surface toSurface Contact pair Geometry在核桃的受力分析中，當(dāng)建立了接觸對的有限元模型后，還要調(diào)整接觸單元之間的初始間隙，以保證在初始分析的時候接觸表面之間的穿透量，還要調(diào)整接觸對的法向，以確保在分析過程中接觸對能夠接觸。在涉及到兩個邊界的接觸問題中，把一個邊界作為目標(biāo)面(Target Surface)，而把另一個作為接觸面(Contact Surface)，如圖4所示。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)。SHELL93單元特別適合于曲殼建模。圖32 SOLID95單元的幾何表示 SOLID95 Geometry(SHELL93)ANSYS對殼體結(jié)構(gòu)的處理有兩種方法．分別是平板殼元和曲面殼元。而SOLID95是比SOLID45高階的單元，因為相對于八節(jié)點(diǎn)六面體的SOHD45單元，SOLID95在每條單元棱邊中部還有一個邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)(Midside Node)，屬于二次單元(QuadraticElement)，如圖32所示。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。圖31 核桃1/2實(shí)體模型 Half model of walnut從分析對象的特點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)殼體單元對核桃殼劃分網(wǎng)格。由于核桃果實(shí)結(jié)構(gòu)的對稱性，可以采用1/2的對稱模型來進(jìn)行分析。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。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)于果仁來說要大很多倍，故他們的彈性模量必然不同。假設(shè)核桃外殼是均勻的，