关键词：柑橘;;机械损伤;;蠕变;;有限元法;;缓冲防护
摘 要：针对在采摘、贮运、加工过程中宽皮柑橘受静载压缩后的损伤问题,本文从宽皮柑橘的机械特性和静载压缩蠕变特性入手,结合CAD\CAE技术,建立合理的宽皮柑橘有限元模型,模拟宽皮柑橘的线弹性压缩和准静态压缩蠕变时的受载情况,进行挤压、跌落等不同受载情况下的宽皮柑橘机械损伤试验,分析柑橘果实在贮藏期的质量和硬度等机械特性变化差异,结合试验数据和数学建模,初步建立了一种评判宽皮柑橘机械损伤的方法,定量地估算了柑橘机械损伤程度,分析了柑橘主要的致损因素,建立相关数学物理模型,定性地评估与预测了柑橘的损坏情况,并应用该方法比较了不同缓冲材料在挤压、跌落等受载情况下的减损防护效果,为预测柑橘机械损伤以及优化设计低损伤的柑橘采摘、储运机械提供理论参考。本文主要研究内容和结论有:(1)测定了宽皮柑橘的质量、硬度、弹性模量、破坏极限力和总变形破坏能等力学特性指标,探究了其随贮藏时间的变化规律,随贮藏时间的增长,宽皮柑橘果实的质量损失逐渐增大,硬度逐渐降低,而弹性模量、破坏极限力、总破坏变形能等机械特性总体上呈先增大后减小趋势,且变化均显著。(2)试验数据拟合验证了加载阶段的柑橘整果、果肉、果皮的静载压缩蠕变变形曲线符合伯格斯模型,拟合系数均大于0.97。试验结果表明贮藏时间T与蠕变柔度J(3T_(rel))高度正相关,蠕变柔度J(3T_(rel))与即时刚度系数γ_0,延滞刚度系数γ_1,粘性系数n_2等高度负相关,与延滞时间T_(rel)正相关,蠕变柔度J(3T_(rel))可较为全面的表征柑橘整果的蠕变特性。在控制其它因素水平相同的前提下:对于柑橘整果,压缩定载荷愈大,蠕变变形愈大;加载速率愈大,蠕变变形愈大且愈容易;赤道部与果梗顶部比较,前者蠕变时变形愈大且愈容易;贮藏时间愈长,硬度愈小,蠕变变形愈大且愈容易。由试验结果推断可用临界应变破坏理论解释柑橘静载压缩蠕过程中造成的损伤和损坏现象。柑橘整果受载时,载荷愈大,或受载时间不断增长,蠕变变形愈大,当变形超过某临界阈值时,则柑橘产生一直机械损伤而发生破裂(除“应变饱和”现象外)。(3)将柑橘的准静态压缩蠕变参数,经一定理想假设后推导计算,获取了所需的三维松弛剪切模量的Prony级数展开形式的黏弹性参数;建立了两种结构的柑橘有限元模型,模拟了宽皮柑橘的线弹性压缩受载情况,与实测试验结果比较,对于单层整果模型,其拟合优度为0.8838,对于双层果皮-瓤肉模型,其拟合优度为0.8902,这两种模型均是合理可行的;模拟了宽皮柑橘的准静态压缩蠕变受载情况,与实测试验结果比较,对于单层整果模型,其拟合优度为0.9610,是合理可行的;对于双层果皮-瓤肉模型,其拟合优度为0.5718,;研究了柑橘在压缩载荷下的应力分布规律,发现对柑橘果梗部压缩,不论是位移载荷或是恒定力载荷,柑橘由于果皮的拉应力发生破裂,出现的破裂断面与压缩方向一致。(4)初步建立了一种评判宽皮柑橘机械损伤的方法。基于柑橘的质量损失与果实软化变化,定量地估算了柑橘机械损伤程度,运用机器学习问题中的k近邻分类,建立了一种的宽皮柑橘机械损伤二分类模型,定性地预测了在挤压和跌落等受载条件下柑橘的“损坏”情况。结合损伤程度和预测结果显示:不加防护措施情况下,柑橘受到的挤压力最高不应超过20 N,以低于10 N为宜。柑橘跌落高度不应超过90 cm,以低于60 cm为宜。(5)比较了不同缓冲材料在挤压、跌落等受载情况下的减损防护效果。由柑橘机械损伤程度和预测模型评估可知,在单次定载荷挤压试验中,瓦楞纸板减损效果最好,EPE板次之,橡胶板最差;单次铅直跌落试验中,EPE板减损效果最好,橡胶板次之,瓦楞纸板再次之。
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