基於有限元分析的核桃剝殼技術研究

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1、課題的目的和意義

1代寫的畢業論文課題的目的和意義

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，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。據分析：500剋核桃肉的營養價值，相當於雞蛋2500克，牛奶4750克或豬肉1500克，可見，核桃的營養值價是相當可觀的。

隨著核桃產量的逐年增加，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。

由於核桃形狀不規則、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於施力方式不合理，果仁的破碎率較大，脫殼率、整仁率及裝置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（丁正耀等，2019）。用一般的機械擠壓方法破殼必將造成大量的碎仁，對於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，會出現小尺寸核桃難以破殼而大尺寸核桃仁的破碎率高的現象。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裂紋的擴充套件是核桃完全破殼的基本條件，按核桃正確姿態喂人進行破殼是裂紋擴充套件的條件，有必要進行破殼前的導向（史建新等，2019）。

2、國內外發展現狀

2。1核桃剝殼技術

核桃的一次剝殼率和高露仁率是衡量剝殼取仁機效能的兩個重要指標。而影響這兩個效能的關鍵是剝殼方式（吳斌芳等1996）。對於核桃剝殼技術，剝殼機可以代表技術的發展。一般來說核桃破殼取仁有這樣幾種方法：1、離心碰撞式破殼法2、化學腐蝕法真空破殼取仁法3、超聲波破殼法4、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，由於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境的汙染，因此人們不接受；第三，四種方法裝置昂貴，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（史建新等2019年）。

2 。1。1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，對於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

2。1。2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（董遠德等，2019）。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：

（1）對輥窩眼式開口裝置

（2）雙齒盤齒板式破殼裝置

（3）變形恆定破殼裝置

（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）衝壓式破殼裝置

（9）核桃破殼挖核裝置

2。1。3殼仁分離裝置

殼仁分離問題是核桃破殼取仁的難題之一。論文的代寫目前國內尚未見到好的分離方法和分離裝置的報道，而國外雖然很好地解決了殼仁分離的問題，但裝置成本高，工藝複雜，對於加工能力有限的工廠和個人來說，是很難接受的。以下對現有裝置和方法進行簡單介紹。

2。1。3。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） 帶式分離殼仁

（3） 輪齒撥殼分離殼仁

2。1。3。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

2。1。3。3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。但由於核桃的品種多樣化及核桃外形的不規則，導致核桃的剝殼效率仍不能滿足人們的需求。

2。2有限元分析

2。2。1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展而迅速發展起來的一種彈性力學問題的數值求解方法。有限單元法（FEM）作為一種實用性很強的數值模擬方法，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。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的求解區域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯結在一起的單元（Element ）的組合體。由於單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀複雜的求解域。

在實踐中，有限元分析法通常由三個主要步驟組成（David Roylance 2019）：

1、預處理：使用者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域——或稱為“單元”。各單元在一些稱為“結點”的離散點上相互連線。這些結點中有的有固定的位移，而其餘的有給定的載荷。準備這樣的模型可能極其耗費時間，所以商用程式之間的相互競爭就在於：如何用最友好的圖形化介面的“預處理模組”，來幫助使用者完成這項繁瑣乏味的工作。有些預處理模組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檔案中覆蓋網格，因而可以方便地完成有限元分析。

2、分析：把預處理模組準備好的資料輸入到有限元程式中，從而構成並求解用線性或非線性代數方程表示的系統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 的形式取決於求解問題的型別，本模組將概述桁架與線彈性體應力分析的方法。商用程式可能帶有非常大的單元庫，不同型別的單元適用於範圍廣泛的各類問題。有限元法的主要優點之一就是：許多不同型別的問題都可用相同的程式來處理，區別僅在於從單元庫中指定適合於不同問題的單元型別。

3、後處理：在有限元分析的早期，使用者需仔細地研讀程式運算後產生的大量數字，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，而最新的程式則利用圖形顯示來幫助使用者直接觀察運算結果。典型的後處理模組能顯示遍佈於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影象類似於光彈性法或雲紋法的實驗結果。

2。2。2 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，為堅果破殼裝置的研製提供有效的理論依據。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，並通過試臉驗證，得到了綿核桃機械剝殼取仁的重要引數。吳子嶽（1995）將核桃殼簡化成各項同鄉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於核桃殼完全均勻破裂的結理論。王靈軍等利用有限元方法分析了銀杏在各種施力狀態下的應力分佈進行分析，找出了最佳的施力方向和施力方式，對脫殼裝置的研製提供了理論的依據。攣玉振等（1994）通過對鬆籽殼體工程特性引數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資料相比誤差約為16%。

（H。Chen，J。De 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節點48單元的模型，進而分析水果的堅度。把實驗資料繪製成為以楊氏模量為縱座標，水果堅度為橫座標的曲線圖，並且與實驗資料進行比較得出結論。謝麗娟等（2019）建立了蓮子受靜態正壓力的有限元分析模型，設定了短軸方向載入集中力、載入均布的線載荷、載入一定區域內的面載荷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載入沿長軸均布的線載荷，這時蓮子的應力、應變分佈有一定方向性，有利於裂紋擴充套件，使蓮子有效脫殼，從而為脫殼裝置的研製提供了參考依據。

針對山核桃果殼完全破裂所需的變形量大於殼仁間隙，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軟體建立了山核桃的幾何模型。採用有限元分析方法構建了山核桃破殼受力模型，並對山核桃進行了受力機械剝殼取仁的重模擬與分析。根據不同受力方向和不同栽荷下山核桃的應力應變分佈情況，確定山核桃殼變形量不大且產生區域性裂紋點多、裂紋點易擴充套件的最佳施力方式，為山核桃破殼取仁裝置的研製提供依據（丁正耀等2019年）。

曹玉華等（2019）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佈進行分析，建立了蓖麻蒴果幾何模型和有限元模型。研究結果表明：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生裂紋；而中部壓載荷作用時，最大拉應力的位置出現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生裂紋。

由以上研究可以得出這樣的結論：即使是很複雜的應力問題的數值解，現在用有限元分析的常規方法就能得到。相比較普通的處理方法，有限元法有著更加優越的效果。採用有限元方法建立模型，對研究物件進行應力的虛擬研究是可行的。並且能夠通過對模型的研究得出相應的研究資料，從而為研究提供合理的資料來供參考。

3。總結（存在問題和發展趨勢）

分析國內外的核桃剝殼技術，由於核桃的形狀的不規則、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，對於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。對於現存的核桃剝殼機械，都存在一定的技術缺陷，並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，採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，採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。

參考文獻

1。 丁正耀，朱德權，錢良存，洪翎，張念生．山核桃堅果有限元模型建立及受力分析[J]．農業裝備與車輛工程，2019，6：6—9

2。 史建新，趙海軍，辛東軍．基於有限元分析的核桃脫殼技術研究[J]．農業工程學報，2019，３：185—188

3。 吳斌芳，張建剛，周國柱．核桃剝殼取仁方式的探討[J]．機械工程師，1996，增刊：44

4。 史建新，辛動軍．國內外核桃破殼取仁機械的現狀及問題探討[J]．新疆農機化，2019，6：29—32

5。 董遠德，史建新，喬園園．核桃不同破殼方式的破殼取仁效果[J] ．農產品加工學刊，2019，9：4—6

6。 吳斌芳，周國柱，張建鋼等．綿核桃剝殼取仁機的研製[J]．湖北工學院學報，1997，12，4：31—32

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9。 吳子嶽．綿核桃剝殼取仁原理及其機械的研究．北京：北京農業工程大學，1985

10。 攣玉振，袁明月，李雲飛，鬆籽殼體特性引數的測試與靜力有限元計算[J]．農業機械學報，1994，25，2：50—55

11。 H。Chen，J。De Baerdemaeker． /benkekaiti/ Finite—element—based Modal Analysis of Fruit Firmness [J]．ASAE Vol．36，6：1827—1833

12。 謝麗娟，宗力．蓮子受力有限元分析[D]．2019，37，6：94—97

13。 曹玉華，李長友，卿豔梅，孔德兵．蓖麻蒴果力學特性的有限元分析[J]．江蘇大學學/benkekaiti/2019/0520/lw201905201924086546—2。html報，2019，31，4，383—387

研究內容

（1）採用ANSYS軟體建立核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，用結構靜力分析的有限單元法，通過所建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佈規律進行分析。

（2）找出核桃殼變形量不大且產生區域性裂紋點多、裂紋點易擴充套件的最佳的施力方式，為高效剝殼機的研製提供參考依據。

擬採取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析

1研究方法

（1）採用ANSYS軟體建立核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，用結構靜力分析的有限單元法，通過所建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佈規律進行分析。

（2）通過有限元分析找出了產生裂紋多且變形量較小的施力方式。

2 技術路線

2。1建立物理模型

建立幾何模型時就把截面分為兩部分，截面的建立是通過pro/e軟體繪製的，然後匯入到有限元受力分析軟體ANSYS中，分兩次旋轉分別形成果仁和果殼。果仁單元型別採用固體結構單元中的八節點殼體單元，果仁採用二十節點的六面體單元。

2。2建立有限元模型

由於果實結構的對稱性，進行受力分析時可採用l/2的對稱模型。物理模型的果仁和果殼分別進行自由網格劃分以後就成為有限元模型。

2。3核桃在不同載荷下有限元分析

在ANSYS分析中採用了統一的國際單位制，通過對核桃的1／2模型進行網格劃分，分別設定六種邊界條件和載荷型別，分析計算核桃在不同受力工況下應力、應變等的變化規律，在此基礎上對兩個載入方位的三種載入方式進行對比研究。

1） 核桃長軸方向施加集中載荷

2） 核桃長軸方向施加均勻線載荷

3） 核桃長軸方向施加均布面載荷

4） 核桃短軸方向施加集中載荷

5） 核桃短軸方向施加均勻線載荷

6） 核桃短軸方向施加均布面載荷

2。4分析總結

獲取資料，通過分析各向變形雲圖、等效應力雲圖、等效應變雲圖，總結出核桃裂紋方式和部位。通過比較各中情況，得出能夠取得最佳破殼率和整仁率的施力部位和方式。

3可行性分析

（1）在本科學習期間，已掌握材料力學、理論力學等的基礎知識，經過查閱相關書籍與文獻資料，熟悉了國內外的研究現狀，這是進行本試驗的前提。

（2）能夠熟練使用計算機，可以運用ANSYS軟體進行有限元分析。

（3）學校實驗室能夠提供實驗所需的實驗儀器，能夠得到完整的資料。

（4）本課題是核桃剝殼機的一部分，參加的同學還有黃石磊、白亞鵬兩位同學，他們的設計和實驗幫助以及徐紅梅老師的指導將提供很大的幫助。

研究計劃及預期成果

研究計劃

2019．12．24 下達學士學位論文（設計）任務書；

2019．12．25—2019．01．15 查閱文獻資料，撰寫外文翻譯和開題報告書；

2019．01．16—2019．03．10 學習ANSYS軟體；

2019．03．11—2019．05．20 建立核桃破殼的有限元模型，分析其力學特性，完成試驗論文的撰寫；

2019．05．21—2019．06．01 修改論文，做好答辯的準備工作。

預期成果

（1） 通過有限元分析得出相關的資料，來用於後續的處理

（2） 通過分析資料，代寫的論文找出核桃殼變形量不大且產生區域性裂紋點多、裂紋點易擴充套件的最佳的施力方式。