冬小麦籽粒受挤压特性的有限元分析及试验验证

为降低小麦籽粒在收获、贮藏、运输过程中的机械损伤,掌握小麦籽粒粉碎机理,运用有限元法建立小麦籽粒的力学模型,研究小麦籽粒在压缩载荷作用下的应力分布规律。在材料力学万能试验机上进行压缩试验,测得不同含水率9.1%～21.6%的小麦籽粒在3种压缩型式下的弹性模量为98.86～206.59 MPa,屈服强度为0.8～1.95 MPa,破碎负载为63.44～154.77 N,最大应变为0.71%～1.02%。结果表明：在3种压缩型式下,破碎负载、弹性模量、屈服强度随着含水率的增加均有明显下降;在同一含水率下,B型压缩时破碎负载最大,L型压缩时次之,H型压缩时最小;屈服强度和最大变形在采用B型和L型压缩时较大,在H型压缩时较小;其主要破碎形式为在腹沟位置产生裂纹。比较3种压缩型式下的试验值的和仿真值,二者最大差异是12%,验证了仿真数值解可行性。     

荔枝树枝力学特性的试验研究

为获取荔枝树枝的力学特性参数,以糯米糍品种荔枝树枝为试验材料,在精密型微控电子式万能试验机上进行了压缩特性和剪切特性试验。测得荔枝树枝顺纹抗压强度平均值为32.77MPa,顺纹抗压弹性模量平均值为1068.02MPa,顺纹压缩能平均值为56.57N.m;树枝横纹抗压比例极限应力平均值为8.02MPa,横纹抗压弹性模量平均值为422.84MPa,横纹压缩能平均值为1.25N.m;树枝剪切强度平均值为9.52MPa,剪切功平均值为17.59N.m。采用统计软件对树枝力学特性参数进行相关性分析,结果表明:顺纹抗压强度和顺纹压缩能之间呈指数函数正相关关系;横纹抗压比例极限应力和横纹压缩能之间呈弱对数函数正相关关系;峰值剪切力、剪切功都与树枝横截面面积呈强线性正相关。试验结果为研制果树修剪机具提供了依据。     

面向鲜莲子去心的莲仁物理与力学特性

为揭示莲仁浸泡时间对鲜莲子去心质量的影响规律，该研究开展不同浸泡时间下莲仁的物理与力学特性研究。首先分析了莲仁、莲心几何参数随浸泡时间的变化规律；测定了不同浸泡时间下莲仁的硬度、弹性模量、抗压强度和去心力等力学特性，获得了莲仁材料的应力-应变与载荷-位移曲线；采用回归分析方法建立了莲仁物理和力学特性指标与莲仁浸泡时间的对应关系。研究结果表明，莲仁最大短径、长度、尖端裂口长度与最大宽度，莲心长度、根部直径、最大厚度与最大宽度数值均随浸泡时间的增大而增大；莲仁硬度、弹性模量、抗压强度与去心力则随莲仁浸泡时间的增加而降低。其次，基于研制的鲜莲子空气挤出去心机开展了不同浸泡时间下莲仁的去心试验，研究发现，莲仁浸泡时间对通心率、莲仁破损率和莲心完整率有直接影响。当莲仁浸泡时间较短时，通心率和莲心完整率较低，莲仁破损率较高；而随着浸泡时间的增加，通心率和莲心完整率随之增加，莲仁破损率则降低，但浸泡时间过长，破损率又会增加。当浸泡时间为120 min，莲仁含水率为63.08%时，可获得较佳去心效果，通心率为94.67%，莲心完整率为84.00%，莲仁破损率为3.33%。研究结果可为提高鲜莲子去心加工质量、揭示鲜莲子高效低损伤去心机理提供基础数据支撑。     

莲仁钻削去心过程力学特性及减损工艺参数优化

为降低莲仁在钻削去心过程中的加工损耗,找出去心工艺参数对莲仁崩碎的影响规律,该文对莲仁钻削去心过程进行了力学分析、切削过程摸拟、试验测试和工艺参数优化研究。1)对莲仁钻削去心时的受力状态进行了力学分析,建立了莲仁钻削加工的力学模型,分析了莲仁钻削崩碎的主要因素为压辊夹紧力、钻头直径、钻头转速、钻头进给量和莲仁含水率等;2)应用DEFORM 3D软件对莲仁钻削加工过程进行了切削仿真,获得了不同工艺参数条件下钻削轴向力变化曲线以及莲仁应变云图,得到了各工艺参数对莲仁崩碎的影响规律,并找出了莲仁剥落的薄弱位置;3)用Kistler测力仪对莲仁钻削去心过程进行了钻削力测试,得到了莲仁在钻削过程中轴向力-时间曲线,以及切削速度、进给量、钻头直径等工艺参数对钻削轴向力的影响曲线,测试结果与仿真结果基本一致;4)基于所设计的莲仁去心试验台,用单因素试验法测试了含水率、压辊夹紧力、钻头速度、钻头进给量及钻头直径等工艺参数对莲仁崩碎率的影响规律,并在单因素试验结果的基础上,用正交优化试验法获得最优参数组合为莲仁含水率7.78%、钻头直径2.2 mm、压辊夹紧力38 N、钻头进给速度20 mm/s、钻头转速3 000 r/min。研究结果可为莲仁钻削去心设备的设计提供参考。     

不同含水率对谷子籽粒压缩力学性质与摩擦特性的影响

为了探明不同含水率谷子籽粒的物理机械性质,减少谷子籽粒在播种、碾米加工及储运等过程中受到压缩载荷及摩擦而产生的机械损伤,该文针对不同含水率的谷子籽粒进行压缩力学性质与摩擦特性试验。研究了谷子籽粒的挤压破碎过程,获得不同含水率谷子籽粒的力-位移（变形）曲线,破坏力、变形量及破坏能。随着含水率升高,破坏力减小,变形量和破坏能呈现先降低后升高的变化规律。同时采用赫兹接触理论,得到谷子籽粒单向表观弹性模量和许用挤压应力,结果表明二者都随含水率升高线性降低。分别测定了谷子籽粒与钢板和铝板间的滑动摩擦系数,随含水率升高,谷子与该2种材料的摩擦系数均增大,且与铝板的摩擦系数要高于钢板。根据试验结果,分别拟合得到了压缩和摩擦力学性能指标与谷子含水率的关系方程,为谷子播种、仓储、加工等装备设计及参数优化提供了基础依据。     

葡萄与番茄宏观力学特性参数的确定

通过对葡萄与番茄的压缩试验，测得其力—位移曲线，得出在相同加载速率下，不同硬度的葡萄与番茄在横、纵向压缩时的力学特性及刚度与变形之间的关系。并对果皮进行了横、纵向的拉伸试验，得到了皮的弹性模量与应变之间的关系，确定了以果品表皮破裂作为机械损伤的形式，用果皮的破坏强度衡量葡萄与番茄的损伤,为建立葡萄与番茄的力学模型及设计有关的机械设备提供力学参数。     

收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究

试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性，以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数，并分析芦竹切割过程中应力、应变分布状态，能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数，对低能耗、高效率的芦竹切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、压缩、弯曲试验，获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力－应变曲线，并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa，弹性模量值为1260 MPa；顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa，弹性模量值为595 MPa；顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa，弹性模量值为1715 MPa。结果表明，芦竹破坏应力参数接近毛竹，远大于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数，芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。     

荔枝的力学特性测试及其有限元分析

为减小荔枝在收获、储运过程中的机械损伤,对荔枝的宏观和微观力学特性进行了研究.试验测定得到荔枝各部分的弹性模量;通过压缩试验,测得荔枝整果垂直受压的力学参数大于水平,垂直与水平受压的破裂力、弹性模量和破裂相对变形分别为101.69N和81.25N、0.37MPa和0.27MPa、30.33％和28.86％,并观察得到荔枝受压的裂壳特征.运用有限元法建立荔枝压缩力学模型,比较荔枝垂直和水平受压的试验值和仿真值,二者比较一致,其相关系数均达到0.999以上;研究荔枝在压载作用下的应力分布规律,分析其垂直与水平受压的抗挤压能力和裂壳特征,验证仿真数值解的可行性.试验结果表明:荔枝的抗挤压能力具有各向异性,相同压力下,垂直方向所能承受的压力和变形均大于水平方向;受压时在果壳拉应力作用下发生破裂,裂纹沿外力方向延伸,且出现的截面与压缩方向一致;采用所建立的荔枝有限元模犁可以分析研究荔枝的微观力学性质.研究结果可为荔枝作业装各的设计以及预测和减少其机械损伤提供依据和帮助.     

基于准静态压缩方法的玉米粒破碎试验

为减少粮食因破碎而导致的损耗浪费,探索玉米颗粒的抗破碎能力,该研究利用准静态压缩试验共获得了920组玉米粒的力学数据,并通过韦伯分布拟合对玉米粒破碎力进行了分析。试验对比压缩方位及压缩速率对玉米粒破碎力的影响,确定准静态压缩的试验条件,在此基础上探索玉米含水率、粒径、轴比对玉米粒破碎性质的影响。结果表明：沿玉米厚度方向压缩可获得玉米粒的最大破碎力;压缩速率小于0.10 s^-1时,压缩速率对玉米粒破碎力分布无影响。另外,玉米粒的含水率、粒径、轴比均影响其破碎力分布。含水率14.72%的玉米粒破碎力分布更为集中;小粒径玉米粒更容易破碎,粒径小于7 mm时玉米粒破碎率达100%;玉米粒破碎率和破碎力均与轴比呈反比,表明饱满圆润的玉米颗粒更容易发生破碎。该试验为玉米在储运、加工过程中的降碎降损提供了可靠的数据支撑。     

籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建

为深入研究籽棉压缩及应力松弛过程的力学特性并构建其本构模型,该研究以籽棉为研究对象开展试验,分别利用改进西原模型和五元件广义Maxwell模型对压缩和应力松弛的应力应变曲线进行描述。通过定义的本构模型对不同含水率及喂入量的籽棉力学特性试验数据结果进行参数辨识,得到相关模型参数,并探究不同因素对压缩及松弛过程应力的影响规律。研究结果表明:曲线拟合法求解籽棉压缩及应力松弛过程本构模型参数的决定系数均大于0.9,改进西原模型、五元件广义Maxwell模型可以较好地描述籽棉压缩力学特性和应力松弛特性。对籽棉压缩及应力松弛力学特性解析显示,模型参数表现出明显的应力规律:通过Duncan均值比较结果可知:籽棉压缩本构模型参数中不同含水率组间弹性模量差异均显著(P0.05),不同喂入量组间串联虎克体弹性模量差异显著(P0.05),压缩应力值与含水率、喂入量呈正相关关系;籽棉应力松弛模型参数中不同含水率及喂入量组间弹性模量及粘性模量差异均显著(P0.05),弹性模量、粘性模量与含水率及喂入量均呈正相关关系。籽棉压缩与应力松弛力学特性的研究可为籽棉压缩过程机理研究、模拟仿真提供理论依据,缩短机具研发过程。     

含水率对大豆静压机械特性的影响

为探明不同含水率的大豆物理机械性质、揭示脱粒与输送过程中大豆机械损伤机理,以沈农12大豆为试验对象,应用万能生物材料试验机进行了5种含水率下的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功等准静压力学特性试验,获得了6.84%～21.37%含水率范围内、3个方向的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功及其变化规律,研究结果可为改进大豆脱粒和输送装置、确定工艺参数提供参考。     

莲子物料空气动力学特性与壳仁分离装置试验

为获得莲子物料的空气动力学特性,研究合适的莲子分选工艺参数,该文针对莲子剥壳后混合物料的风力分选技术进行研究。首先,对混合物料各组分的空气动力学特性进行理论分析与试验,得出莲仁、莲壳、碎仁的悬浮速度变化范围分别为11.230~14.680、2.511~4.891、6.505~7.865 m/s,合适的壳仁分离气流速度范围为7.865~11.230 m/s,修正了莲子物料的形状系数。然后,设计制造了莲子负压壳仁分离装置,通过试验确定了装置的优化分离工艺参数为:入料管倾斜角60°,分离通道倾斜角35°,分离通道气流速度7.881 m/s,入料管长度220 mm,进料量6颗/次,开展检测试验,结果表明清选率达98.283%。研究结果可为莲子壳仁分离设备研发提供理论依据。     

大豆籽粒的化学-力学特性灰色关联度及本构模拟

为研究大豆籽粒在不同受载情况下的力学特性,探索其化学-力学特性之间的关系,该文选择11种大豆籽粒在含水率为8.65%下对其进行化学组分、针尖压入、剪切、压缩试验,并借助Abaqus软件建立本构模型,对压缩试验过程进行模拟仿真。力学试验和模拟结果表明:所测大豆籽粒硬度为18.39~52.58 N/mm,大豆籽粒破损强度为3.65~15.32 MPa,大豆籽粒极限剪切力为12.70~52.33 N,纵轴的抗剪能力明显高于横轴;不同压缩形式和剪切方向分别对大豆籽粒破损强度和极限剪切力影响极显著;试验与仿真的载荷-变形曲线拟合良好,说明所建立的大豆本构模型能够分析研究其抗挤压特性。灰色关联度分析结果表明:与化学组分含量最为密切的力学指标是硬度与接触刚度,其中硬度与粗蛋白质、粗脂肪、粗淀粉、粗纤维含量的关联度分别为0.309 4、0.327 8、0.171 9、0.191 8,接触刚度与其关联度分别为0.220 6、0.283 7、0.186 9、0.133 4,粗蛋白质和粗脂肪含量对硬度与接触刚度的影响最大,其次是粗纤维素,粗淀粉含量。研究结果可为品质预测和品种鉴别提供新的方法和依据。     

谷子籽粒压缩力学性质及损伤裂纹形成机理

在谷子联合收获机及谷子加工机械装备设计研制中需要掌握谷子籽粒的基本物性参数和力学性质,以及受压致谷子谷壳与米粒损伤及裂纹形成过程,从而确定和优化工作参数.为此该文测定了不同含水率下(25.1％,20.9％,17.5％,15.2％)4种优质谷子品种(晋谷21,张杂10号,吨谷,长谷)籽粒的基本物性参数,包括千粒质量、三轴尺寸等,并研究了不同含水率、品种和压缩方位(长度、宽度和高度方向的压缩方位)对谷子籽粒的压缩力学性质的影响,对试验数据进行了多响应完全随机区组分析.结果表明:同一品种谷子籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径、几何平均径均随含水率的降低而减小,不同品种间的物性参数差异显著(P＜0.001);影响屈服载荷、变形量、破坏能以及表观弹性模量的主要因子依次是压缩方位、含水率、品种.对于同一种谷子,籽粒的长度、宽度和高度方位压缩时的屈服载荷和表观弹性模量都随着含水率的升高而减小,压缩变形量和破坏能随着含水率的降低呈先减小后增大的趋势.长度、宽度和高度方位压缩时,损伤裂纹的形成过程及发生机理、扩展形态和部位均不同,分别是:从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展,形成几乎贯穿籽粒长度方向的裂纹:从上下两接触点处由应力集中形成的贯穿籽粒宽度方向的裂纹;从腹面的种脐处沿胚乳抗压性最弱的部位延伸且贯穿籽粒一半的裂纹.研究结果为谷子播种,联合收获机及相关加工机械的设计、参数优化提供依据.     

Study of Viscoelastic Properties of Wheat Kernels Using Compression Load Method

The method to measure hardness and other viscoelastic properties of intact wheat kernels is presented. Wheat with 9.3% moisture showed high elastic behavior compared with wheat tempered at 22.5% moisture that showed a plastic behavior. Load‐deformation curves showed that bread wheat behaves as a more plastic material than durum wheat, which is a more elastic material. Yield point of all the wheat samples was ≈18.5 N, independent of wheat type and moisture content. The height of the wheat kernel increased linearly, and the compression area increased exponentially, with increasing moisture content. The modulus of elasticity of wheat ranged from 99.2 MPa for 22.5% moisture content to 394.8 MPa for 9.3% moisture content. Young's modulus range for soft wheat such as Salamanca, Saturno, and Cortazar cultivars was 232.2–308.5 MPa, as compared with Rayón bread wheat at 321.5 MPa and the Altar, Sofía, and Rafi cultivars of durum wheat that had elastic moduli of 438.7–485.8 MPa. The compression force and final stress decreased from 69.9 N and 40.1 MPa in soft wheat to 90 N and 78.9 MPa in durum, respectively. Total work range was 14.7 MPa/sec in soft wheat to 19.7 MPa/sec for durum wheat and, as expected, was higher in the durum and bread wheat than in soft wheat. The plastic part ranged from 2.4 MPa/sec in soft wheat to 0.6 MPa/sec in durum wheat.     

品种及含水率对谷子籽粒力学性质的影响

谷子籽粒群是具有黏弹性性质的生物材料,谷子加工储藏和机械收获等作业环节需考虑其黏弹性,该文研究了不同品种、不同含水率对谷子籽粒群黏弹性力学指标的影响。该试验以不同品种、不同含水率为试验因素,以谷子籽粒群的瞬时弹性模量、迟滞弹性模量、松弛时间和黏度系数为试验指标进行蠕变试验,并对试验结果进行方差分析。结果表明:谷子籽粒群的蠕变特性可由四元件Burgers模型描述,不同含水率、不同品种谷子籽粒群的蠕变参数各异。品种对谷子籽粒群的迟滞弹性模量影响显著,晋谷21号谷子籽粒群的迟滞弹性模量均值为0.609 3 MPa,显著高于张杂10号的0.522 2 MPa。含水率对谷子籽粒群的瞬时弹性模量、迟滞弹性模量和黏度系数影响均显著,均呈随含水率升高而降低的趋势,含水率为12.10%的谷子籽粒群的瞬时弹性模量0.752 6 MPa显著高于含水率为16.05%的0.613 6 MPa和20.00%的0.569 7 MPa,含水率为12.10%、16.05%、20.00%的谷子籽粒群的迟滞弹性模量分别为0.706 4、0.583 5、0.407 5 MPa,含水率为12.10%的谷子籽粒群的黏度系数1 234.7 MPa·s显著高于20.00%的796.8 MPa·s,含水率对谷子籽粒群的松弛时间影响不显著。该文通过试验研究了不同品种和不同含水率的谷子籽粒群的蠕变特性,为谷子低损收获、加工储藏及参数优化提供了理论支持。