（机械制造及其自动化专业论文）白果破壳的有限元受力分析及其脱壳设备调试与改进.pdf

摘要 自果具有重要的经济价值，其果仁可以药用和食用。目前自采种植产业化， 产量提高，但是白果资源的开发与利用滞后于需求。研箭白果的脱壳设备是出于 现实的需要，既可以提高生产效率和产品的加，工品质，也可以促进自采深加工的 规模化。 坚栗的脱壳方法有化学方法、物理方法和机碱方法。白果属坚采类，其果旁 强度商，加之自莱有特殊的傈鳞要求，普通的亿学稚物理方法不毹满足萁脱壳的 需要。召前针对壑采承脱壳设备主要是采辩辊械方法脱袁，自果皎髋壳也采用飘 械方式，鄄利用梳械设备来避霉予脱壳。 本文首先对裔栗的可脱壳髓避行了研究。在自果果壳主施加不露方向、位熏 的载蘅戳了解自梁聚壳上裂绞的产生和扩麓援律。接下来对白果的足馋尺寸进露 了统计分柝，褥到了自果的咒麓模型。 其次，在白果死何模型的蒸磁上，运用有限单元分橱方法，确定不同的约束 和载蒋，得到了3 群静态馕提下豹有限单觉摸型。分橱了这3 种有双单元模型的 应力与应变分布，褥出了载萄觞最佳施力位置帮施力方向，为设备鲍研斟和改进 提供了骥确的指导。 白果在脱壳遗邀孛运动时，受到动态变化的正压力和摩擦力，正压力和摩擦 力共嗣构成脱壳力。接下来论文中运用有限单元法，分析了白果在这种动态载荷 作用下应力和应变的变化以及破壳规律。 最居，以上嚣的分橱结果为基础，对已研制白果脱壳设蛰，进行调试， 导出 了该设各对市售白果的最佳脱壳通道间距和脱壳速度；对已研制的脱壳设备，从 鲜果脱壳角度考虑，提出了改进方案并试制了辅助改进装置，为改善鲜果脱壳效 果积累了一定的经验。 关键词白果：脱壳；有限元分析；脱壳设备 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t 国蚓b h a s h 印僦e 。c i h 疵v d 噱趣删酏i n q 蚵d 彩雌旬0 d b i t m o 嘲瑚屺札1 k y 蹦 0 f 豳如l 璐删d l b 蛐抽麟吨砌i 妇m 枷俎蛐o f 咖如出血马h t n l e a 屯蜿学a n d 孵妇妇 0 f 幽曲骶k 四n g 埘蝴幢瑚妇i 田奴脑幻i n 鳅雠p 倒c a l i 蒯s 硼喊i 和蝴试砌哪妇世睡淝 出v 却岫觑如蛔b b y i 嘲毽西雠由融雠锄雠吣砷呲豳必蚓堍啦妇y 疆d 妇e p i 岫驴峨h t 翻阳魄岫曲d b p n 眦a n d 峨o f 鼬细嘞 g c n 嘲觋n t 矗曲唔m 赶同s 勰d 眦b d 缸岫d i 豇随出，s 醅d 铀d 雎d l 越d 商雌吐m c 峨蜘b 曲擎 蛐l t b 吼鸸弧龇j s 婀电砌t 毗籼怕嘞l 唧妇i h t d 埘堍如逝n l e 蛐吨疵h 珂a n d 椭b y 嘲i d 妇删霜d 曲蝴寸曲馨i i 枷耐t b e 圈曲曲彤蛾她嘴耐i 如憾m 醯 j s 缸蛐舀哩蛔砌艋d l 疆矗随d e v i 。已 触她矗咄吨鲫b 蛐r a f 面咖j s 酬鲫缸黜鼢瓣。贮删c i l 础哪b 幽l 疆d 证砌睡 a t 击：e c 瘟m 缸o 雷幻娜【、呵m ；砣粤i i 啦o n 西c 国文寥位喇h 锄d 四c b 证呲m 毋嚼d 刚l h i a 寥d 瑾6 i c a l m o d d j s a d 旧棚c i i 睹e b a 孵d 垂谤面瑗豳l 鲫s 电 s e o d 耽啦g 幻s 既旧丑n d 酗b 0 f 向觑嘶m 锄d 盘驴k 髓m 既t 麟蛐l g h 肇蛔幽山吐鹏e 盘电d 咖吼n d d 出勰鼬出敝一缸鼬缸锄晒s e 鼬鹦删鲫血凼曲面傩c i f 咖如s h e n 鼬龇i 岫e d 谜l 拄龄m d d 散1 k 随删】0 晌1 卸d 血妇如谢衲妇正睫d 盥a 略麟蒯越e 删仅t m 俗“b c 觚b e 璐e d 蕾x 凼b o 血粤吐l e 缸p o 州西驴咖出出既 u 吐r e e 局d 西啪m d p e 蛀肥a n d 岱枷d t 乎￥如双瓜淞出幻瑚缸a n d 岱d 盘喀谢瑚i f i x h e 恼咖n l e 出她岫吐1 h e 由趣蹦i s 唧陋d 暖妇删面衄嘴甜鼬l 砌邺谳& 诵曲d 硼萨西妇陆唱伽【吐1 h 簋鲥增嘤瑚峨幢锄鹦a 叫幽d l 蕾i g 嚣硝g h 单细s h e 哪蛐由b 射翻 出d 血喀h d a 略锄a 蜘咀疆d n e h 面g 出m 爆，i 嘶m j s 弧嘲b 鲫缸 f 嘲酝m 妊b 豳e 虹出雠姻嘲妇s a 枷咖扣妇晒出l 幽唧蚵0 u r 肥啪疏毋哪缸缸 j t 鼬d t k b e s t 单班谪曲西恤蛾姗i d c l l h a n d 蛐擎目肿h m d 0 l t 缸s h e 咖g 如帕d 痢日姒 h i a 曲砜雠砸删咖眦懿缸妇m 喀舾h 豳如南嗍破a n d 趾戚曲叮颤妇括。幽醐， 坶谢自出淝a 函e 孵妇l 曲b c t m 曲d 胁g 斛i 西h 单蛔 _ 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 忍五黟 日期：2 0 0 3 年5 月2 8日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彩研 聊撕：鳓 日期：2 0 0 3 年5 月2 8 日 日期：2 0 0 3 年5 月2 8 日 - - 兰型 1 1 银杏概述 第一章绪论 银杏是i | 笪界上现存最古老的种子植物，故有“活化石”之称，为我国的二级 保护植物。银杏因其种实形似小杏，外被自粉而得名：又因其核色自而称白果。 1 1 1 银杏的种植范围及产销现状 在我国，银杏主要分布在北纬2 2 - - 4 2 , 东经9 7 1 2 4 。的范围内。近年来，全 国各地相继出现了银杏研究开发熟，大大地促进了我国银杏生产的发展，银杏的 种植区域已扩展到全国2 s 个省( 市、区) 。根据全国银杏重点产区的不完全统 计，到2 0 l o 年，按卯的银杏树为果用栽培，株产种实z 5 k ( 3 计，全国的白果年 产量将达6 2 5 万吨，加上现有的大树产量1 2 万吨，届时，全国的白果产量将达 到6 3 , 7 万吨h 。 日本是仅次于我国的银杏大国，年产白果4 0 万公斤左右，居世界第二位一。 1 9 世纪末期，银杏被引种到美国许多地方，如今，从东海岸的波士顿一纽约 一华盛顿直到南卡罗来纳州、西海岸的加利福利亚州，中部的伊利诺斯州和肯塔 基州等加多个州均有银杏栽培或研究一。 法国，加拿大等国也有银杏栽培。 从供求情况来看，根据有关资料，近几年国际市场白果的年需求量大约是5 万吨，雨我国的年出i z t 羹约为5 0 0 0 吨。占世界的1 0 左右，可见目前国际市场对 银杏的需求缺1 ：3 较大，然而我们也应该认识到2 1 ) 1 0 年即使国际市场增加1 d 倍的销 量，其总需求量也只有5 0 万吨，即使我国占有1 的市场，也还剩余1 3 7 万吨 要在国内市场消化。 1 1 2 银杏种核形状及其种仁成分的分析研究 银杏( g 为单科属种植物。按植物学分类法，根据植株的形态特征可将 银杏分为6 种类型m 。由于银杏雌雄异株，国内长期以来以生产种子为主要经济 栽培目的，且种子的遗传性状相对比较稳定，因而目前银杏多采用雌株的分类方 法。即根据种核的形状及特点将银杏雌株分为长子、佛指、马铃、梅核和圆子5 种类型1 t ， 银杏种仁( 白果) 的基本化学成分中，淀粉含量为3 0 糖3 8 9 6 、蛋白质、 华南理工大学工学硕士学位论文 ! _ _ e 自_ _ e 自l l e j _ _ e = l _ _ e ，日= i _ ! f _ i 脂肪猢、水分5 5 左右，还含有硒、磷、铁、胡萝h 素、核黄素、硫胺素及 尼克酸等矿物质和微量元素及维生素。银杏淀粉呈单粒球形、椭球形或多面体 形，无明显的层状结构，平均粒径1 5 5u m ，糊化温度为7 1 鼬d 4 ，糊化热4 8 焦 耳克。 对于白果所含的脂类成分的研究比较详细，其基本组成如表l l 所示。 表h 银杏所含的脂类成分( ) 甘油酯复合酯胆固酯 胆固醇单甘油酯二甘油酯 游离脂肪酸 眩1 11 2 6 5 9 1 960 5 z 3 2 & 9 72 1 4 复合脂主要是卵磷脂、脑磷脂、脑苷脂、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸：固 醇以麦固醇( p 一谷甾醇) 为主 ；糖脂为双半乳糖双甘油酯、单半乳糖双甘油 酯、脑苷酯及其它。构成以上脂类物质的脂肪酸组成如表1 2 所示 表i - 2 脂类物质的脂肪酸组成( ) 目 亚油酸油酸棕榈酸硬脂酸亚麻酸 娩2 2 4 1 9 82 4 8 瑚8 87 l 一1 5 5 4 5 融1 1 5 4i2 9 垂黾0 4 白果蛋白主要由两种不同分子量的蛋白组成种分子量为5 0 0 吣包含个 。酸性亚基和b 碱性亚基。二者通过二硫键缔合；另一种蛋白分子量为3 1 0 0 0 ，同 样是由一个a 酸性亚基和b 碱性亚基通过二硫键缔合而成。 1 1 3 白果的功效和开发利用现状 本草纲目记载：银杏性平，味甘苦涩，有定痰喘，杀虫等功效。近年来，l 临 床实验证明，经常食白果可使肌肤丰润、平皱纹、温肺益气。银杏还具有抑菌作 用，对葡萄球菌、链球菌、白喉杆菌、伤寒杆菌等均有不同程度的抑制作用。从 果仁中提取出的白果酚甲具有降血压的功效。利用白果制备的白果汁对小白鼠红 细胞sod 活力测定和比较，发现其对延缓小白鼠sod 活力下降具有显著作 用，结果揭示自果对延缓动物杌体衰老具有一定的效果，银杏还可用于化妆品， 具有明显的消炎、止痒、减退色斑、防止开裂等功效。微量元素硒在银杏中的含 量也很高，而硒作为一种人体必需的微量元素有维持心血管系统正常结构和功能 以及抗衰老的作用日。此外，试验已证实硒能有效地提高机体的免疫水平。 银杏果实成熟采摘后，经过沤烂法去除外种皮后，得到果核，即白果，白果 包括中种皮和果仁。白果的外壳在植物学上即指其又称中种皮。 白果收购分级标准为：一级，每公斤不多于3 6 0 粒；二级，每公斤3 6 0 4 4 0 粒之间：三级，每公斤多于4 4 0 粒。同时要求：种实饱满外壳干净干燥 适度，无僵果，无斑点霉变，无破损。 - - 。耋：兰童兰：一一 白果集食用、保健、药用为一体。1 9 9 2 年被我国卫生部确定为药食间源果品 辩a 近几年来，白果作为药品、食品和保健晶，逡来越受羚入 3 重褫，以镶杏 仁、肉类、大米、面粉、蜂蜜、白糖为主料，加入配料和调味品，可制成多种美 昧菜肴和风味食品，如白果炖鸡等一还有白果罐头食品，其代表产品有糖水白 果。在国内外市场深受消费者的欢迎。白巢液体饮料有白果汁、白果露、银杏槊 蓊，锻杏酒等。白果蜜饯类的代表产品有囱果脯等。 1 1 4 坚架的脱壳加工现状 现有的坚果脱壳方法主要龟括化学方法脱壳、物理方法脱壳和杭械方式脱壳 尊。 1 1 - 4 。l 纯学方法脱壳；化学脱轰是耱德脱炎麴果实浸入魏壳溶渡中，该溶i 菠是瘸 来软亿并溶去一部分字卜壳，然麓铁溶液中敬邂果实再稠瘸机械脱去酆壳，最终巍 需要橇械来辚助。 吉平等对沙撵籽进行过纯学方法脱壳试验，选用农溶液、醋酸、耩硒s o + 、 浓峨、n a t - k ：鹣( 菲饱和 溶液、n a 馓 d 3 t 饱和) 溶滚、凇蛾涛嫒、n a ( y r l 溶液8 秘溶液对沙辣籽进行浸漶，历时7 2h 。沙棘籽笼吸收水分，l2 个小时以 后籽巍逐渐交软，对闻越长，吸收水分越多，直至沙艨籽发芽。碱类溶液有溶解 壳内色素 乍熙，碱性越强。溶鳃速度越快；时间加长，溶液颜色变深。酸类溶液 对籽淹没有作用脚。化学腹壳效果并不理想 1 4 。 1 1 4 2 物理方法膣隽：物理脱隽方法主要肖高真空度脱壳、赢压脱竞、 中击法、 冷冻法、加热法。 商真空度髋壳是让采实处予真空状态，加热条实证其内部水分汽亿，在内外 压力差的作用下，使外壳脱去。 高压脱壳是使果实处于很高的压力室中，让果实在其中停留较长时间，这样 果实内部的压力趋于外部的压力；然后突然泄去外部压力，而此时果实内部仍楚 高压的状态，在内外压差的作用下脱去外汽。张嘉玉等进行了花生气爆脱壳的试 验研究，就是利用花生壳的透气性，对花生果进行充气加压，并在规定的压力下 维持段时间。使花生果的内部的气压在短时间内迅速撬高，然后突然施放到大 气压环境，实现花奄的气爆脱壳。试验结粟是；大部分花生鬃一次瀑不开，滠函 是果壳存在结合面，而结合面的厚薄不同，且结合面存在拐点，造成应力集中， 当内部受到一定压力后，首先从结台薄弱的拐点处裂开，使累内压力迅速降低， 以致子内外压力平衡扶两失去缝续脱壳的动力。恳对过大的压力差会导致很高靛 果仁损伤率啤。 冲击法是让栗安以很高静速度去碰撞蔺定鼢坚硬平爵，秘用碰撞对的力量来 华南理工大学工学硕士学位论文 ! m l i i i ii | e ! = ! e ! ! ! # = = = ! 达到脱壳效粟a 冲击法容易弓f 起果仁的损环，同时没有很高的脱壳率。吉平等利 用冲击法进行过沙棘籽的聪壳试验，将沙辣籽加速到! o m s 、2 0 m r s 的速度撞 击铁板，有个别籽粒破壳哺。 冷冻法有两种方式，一种怒和稻栗壳帮采仁的不阎的热胀系数来脱壳，另一 种是稍用采壳冷冻后的变脆来脱壳。后者实际上是一种辅动工序。律为脱壳前的 预处瑗。在前面一种脱壳方式审，吉平等诡作过试验，将沙棘籽直接冷冻至一1 7 ，籽壳帮籽仁鬣然熟膨胀系数不冈，仍束能将籽壳嫡开。 加热法是将待脱壳的果实避行加热，一方鬻减少了采壳的水分，增鸯赫了莱壳 的脆犍，另一方嚣谈果仁里匿戆本分汽化，增加了果尧魂部的压力。在两方葱懿 作雳静影稿下，来完成果实豹聪壳过程。对予缀多霹激遴行加热处鬓兹果实，攀 采爝这种方法作必羧壳豹一糖联处理手段。 1 1 4 。3 桃械方式黢竟：这是强饕坚果的最常见豹脱壳方式。 采用机械来魏熬机械力，搜果实的外焘在外力的作用下破坏，势采用机械方 式来实瑰滚、搓、碾等动作从i | i 脱去果实的终淹。旦兹嚣发出的绝大部分设备都 是采用规城方式采残悫豹，妇芯生、沙棘数、缎啡豆、瓜子等的脱轰设备。 嚣餍静枫械脱轰方式又可以分成：对辊碾医方式、平窘方式、接压方式、平 板碾愿方式、刀片切割方式等。 对辊碾压方式：采用袒囱运动的2 个或多个辊子来实现果实的分级鞠破壳。 如中国农业大学碘制的杏核破壳机，利用3 对分级锥辊和一对轧辊，可同时实现 杏核的分级和破壳。加工时，首先按杏核厚度采用一对反向转动的圆锥辊进行分 级。锥辊轴线与水平面有一定的倾角，便于杏核向下运动。维辊的间隙由小到 大，以便分级。分级后的杏核进入阶梯形( 以适应不同级别的杏核) 的轧辊破 壳。北京工业大学也研截了杏核酸壳祝。其秘用5 逶筛援组成分缀筛，再密2 梗 直径相同的辊子组成对辊破壳机来破壳。东北重型工业学院研制的s z - i 型松籽脱 壳机也是这方面的代表m 。 平磨方式：采用2 个平行的相j c 于运动的磨片来实现果实的脱壳。如吉平等采 用平磨法研制的沙棘籽脱壳装鬣，沙棘籽喂入后处于自然放置的平躺状态，两麟 片作相对转动时使沙棘籽壳受方向相反的两个摩擦力作用，霞力沿聚壳级向长辘 方向，故易于沙棘籽脱壳h 。凳子岳研制的绵核桃脱壳装置四t 稠用的是一稀变 形的平磨脱壳方式，采用双齿箍齿板方法虢壳，齿盘藕弧齿板的辩鬣角度鸯4 s o ，长度为跚m ，在倒角面上分布着一定尺寸髂小蠢。当绵核桃稷入到瞌剥装跫 时齿盘的旋转带动缔核祧边旋转边向量挤入，一定阉距静齿失不断魏沿着竞表藤 嚏压，使得裂纹不敬扩展部分壳和仁掉离出来，最后壳完全破碎，壳帮仁通过凝 小间隙向下掉出来。此外还有郭明康研锚的漓菜籽脆壳飘m 等也属于这一类e 挤匿方式：单纯乖l 箱挤压力来破壳，犹黧岩石粉碎枫。 第一覃绪论 _ _ _ l l l _ _ _ l i _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ e l l 口i 1 日日i _ 日j _ _ _ _ _ l l _ - l i i _ - _ 平板碾压方式：让待脱壳的果实在两平板之间运动，两平板之间有一定的夹 角，果实在运动过程中受到碾压、揉、搓等作用，从而实现脱壳。还有一种碾压 的变形方式，就是将其中一个平板改成辊子，如张嘉玉等研制的橡胶滚筒橡胶直 板脱壳装置m 。 刀片切割方式：一种是利用刀片在待脱壳的果实表面划上很多刀痕而切割外 壳，同时运用揉、搓等作用来完成脱壳。一种是直接利用刀片来切割开果壳得到 果仁。 前一种切割方式中，浙江大学郑传祥研制的板栗脱壳机就是很好的代表。该 脱壳机是一种利用高速刀具不断切除板栗外壳的机械。首先将板栗破壳，板栗在 不断行进中壳被不断切削掉或打掉，其切割量可据板栗大小、品质的不同进行调 整。当栗仁被切削较多时，可提高板栗行进速度，以减少切削量，反之则降低板 栗的行进速度，以获取最好的效果码。江苏理工大学的杨巧绒研制的板栗脱壳机 也是利用这种方式w i ，该机器在原料喂入辊上安装了一组间隔相等( 约一个板栗 直径大小) 的锯齿状圆盘刀，喂入辊旋转时会将板栗带入工作区，并在其外壳上 划上裂缝，然后板栗被送入剥壳区。剥壳采用的是揉搓原理，借助锯齿状的剥壳 条，对板栗旌加径向和切向的作用力。还有英国专利2 0 7 0 4 1 1 a ，用薄砂轮片代替 刀片来切割坚果的外壳。切割后的果实进入脱壳区域。脱壳区域是由两块可以相 向运动的压板组成，在压板的挤压下完成最后的脱壳过程m 。 后一种切割方式可以见诸于很多专利中，如英国专利1 3 8 0 1 蔓) 5 m ，是关于腰果 脱壳装置，该装置在腰果外壳的对称面上用刀片切割出完整的切口，直接得到果 仁。该装置是集传送、定位、脱壳于一体，比较复杂。还有英国专利2 2 9 0 6 9 5 a 日， 也是关于腰果的脱壳装置，与上一专利技术相比，只是形成切1 2 1 的方式不同，该 专利是利用挤压方法使刀片切入外壳从而形成切口。 1 2 本研究课题的来源及主要研究内容，研究意义 1 2 1 研究意义及课题来源 有代表性的白果食品的加工工艺大致如下。液体饮料如银杏汁的生产工艺： 银杏一去壳去皮一预煮一粗磨一细磨一离心过滤一高压均质一装瓶一杀菌一冷 却、成品。 银杏酒的生产工艺：白果一清洗一脱壳一粉碎一拌入谷糠一混合均匀一蒸煮 一散冷一拌曲发酵一蒸镏一原酒一勾兑一成品。 罐头的生产工艺如下：原料一分类一分级一清洗一煮沸一去壳去内皮一调 配装罐一杀菌一冷却、成品。 华南理工大学工学璞学位论文 wi i i _ = = e | _ _ j = 目e 目_ e 目! ! e s e = ! | ! ! ! = g = = ! 蜷 从以上的工艺看出，对于工业化生产白果食品，脱壳工序是不可缺少的，而 乍为菜肴食品的白果无不簧要脱壳，医此研究商效的脱壳方法具有很重要的意 义。 f ；蠹着银杏研究和开发的日益深入，科研与生产中的问题也日益突出。白果深 加工开发严重滞詹于市场需求。虽然对白暴的稠用有了长足进展，值是白果加工 的产业化还很不屁，白果开发幂j 用中关键的脱壳工序还主要由手工来完成，不仅 费时费力，而且严重影响了质羹衽效率以及自柒的综合利糟能力。 随着我国银杏种植面积不断扩大，银杏采艏保鲜帮减少损失的阀遂嚣益突 出。贮藏过程中存在种仁、中稗皮t 骨化终壳) 的霉交及种仁硬化褡称覆灰 化) 等主簧问题。种子采收聪，貔贮藏时鬻延长，胚不辑发育，导致苦睬增加， 所有这些都会使锻杏特有的糯香味减少，复求牲差，营养物质减少，甚至产生存 毒物震，降低或丧失食用或药窝品质。自暴豹不耐储藏性也要求采取更加商效的 加工方式来减少损失一。 综土所述，无论是从提高自果综合利用能力方面还是从白果深加工产品不可 或缺的工痔来看，提毫白果羧壳黥效率昶质量，都有鬟要灼现实意义。另一方 面，电果脱壳机械至今在国内终都还是一令空白。虫子白果的凡俺积物理特性， 臼果的毫效率机械化脱壳困难很大，臼果脱壳机制和脱壳机构原理研究也还是个 空白。因此，这方蘑的研究也极具学术意义。 本课题直接来自于广东省星火计划项鄹9 0 t 1 0 9 5 9 q 3 x 。 1 2 2 研究内容 本课题的主蘩研究内容是：研究自果的可脱壳惶、高效、高质量白果贱壳的 原理、方法和装暨。 首先了解白果的几何和物理特性，进行可脱壳性研究。在此基础上，提出加 工单个白粱时的受力分析模型，从模型导出果实在外力作用下可能的最大应力区 域以及应力分布方式，对脱壳设备的研制和脱壳效果的改善予以理论上的指导。 同时，进行对比实验，找出对脱壳起主要作用的因素，鼠而对比各脱壳方案，获 中选出具有较好脱壳效果、较高脱壳效率、设备制造较易的方案，最后确定对耱 壳效果影响较大的主要工艺参数。 1 3 本章小结 白果的开发稍用都需要经过脱壳处理，雨目前该类设备是个空爨。由于各秽 坚果的几何和物理後能相差极大，使坚果脱壳设备没有遴用性，所以现有的各种 6 第一章缝论 坚栗脱壳设备裰本滗法用于臼采脱壳。因藏舀采可脱壳性研究和脱壳设备的试锈 是育熏簧的学术稻现窭韵意义。 由于自果仁鹤傈群要求戳及蠢采壳的特性，亿学方法黼壳并不逶合囱果麟 壳。 鑫l 予鲜自果麓粱竞与果仁忍乎无阈隙，敬真空脱壳、海压脱壳方式亦不适予 白暴髓囊。 国于是暴仨隧潺壤囊纯褥发雯不霹逆转瓣若鬻佬，耩毅冷冻法秘热爆法氇不 适予鑫莱驻壳。 霭辍械脱壳方武是目前应矮最广豹坚聚鼹壳方式，缀多坚梁鲍髓亮都是采麓 辍缀来逐行。遮翅合毽抟设诗霹骧摸接人手灏袋竞过程，实现疆、篷、援、揉、 撕越簿淤终，瓢褥壤热驻壳豹效率襄憔熬。势置这方鬻游研究瞧甥慰残熬，习供 借签耱聚弼的瓷髓稳对较多。j c 枣予生产来说，生产工艺参数更容易趣测和控制， 还熊绦诞一定鲍疆悫率。 所戳本文磷究鑫袋懿撬壤脱壳骚理、方法髑装爨。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章白果可脱壳性研究及受力分析模型 2 1 白果的几何结构和物理性质 2 1 1 白果的几何结构 本研究课题是蔽粤托所产佛指类自果必研究对象，其终观见图2 一l 所示照 片。一端收缩成逸儆子椭圆锥状，另一端避钍于呈椭球状。整个外形不太规则， 外壳按近- t - 2 次燕压，带有侯l 棱，但是儇棱并不完整。以白果最大室度尺寸( 在 图2 2 中表示为x 辘囱的尺寸) 处为界，叁此界限向糖球状的那一端有侧棱， 而鑫戴暴羧向麟豳锥炊的那一端没有侧棱。自果的外炎比较坚硬，丽储藏期短的 白果豹果仁柔嫩。白果存在硬化现象，即照着储存时间的的流逝，种仁、中静皮 ( 骨化於壳) 的霉变及种仁硬化( 俗称石灰化) 。其对大宽度尺寸处( x 轴向) 的界联形状可以见图2 2 。 图2 1 白果外观照片 i 毽2 1i t x l a 横舀i d 秽铂p 豳啊鹏 尺寸a ：1 4 1 6 + 1 1 7 ，尺寸b ：2 4 5 7 5 ：1 3 6 ， 尺寸c ：1 2 8 1 o 6 4 ( a ) 图2 2 白果的截面形状 飚2 2s e d i 咂q f 曲蜘 尺寸d ：1 5 0 2 毒0 8 0 盈2 3 几俺足寸( 锄) r i 9 2 3g 即岫商蕊蠡糙函m 自桑的壳体关予x y 平面透织对称，鑫果的尺寸粒度比较分散。以市面出售 一 一 第二章白果可脱壳性研究及受力分析模型 。_ - _ _ - l l - _ _ _ _ l l - - 二l _ ；_ 的白果为样本，这些样本中的白果有共同的形状特征，样本数为1 0 0 ，对白果的 有关尺寸进行了测量，碍出了白果的各个统计尺寸。果壳的壁厚约为删姗，果 仁与果壳之间的间隙约为o 1 3 m m 。各尺寸标注见图2 3 ，这是以市售白果为样 本测量的。对于新鲜的白果，果仁与果壳贴合紧密。根本谈不上什么间隙。 2 1 2 白果的物理性质 由文献 2 9 , 7 6 7 8 可知，银杏种壳电镜扫描观察发现，其种壳与其他植物种 子结构不同，般植物种子( 如豆科植物) ，其神皮分为表皮层、栅栏层、骨状 石细胞层和薄壁细胞层( 田箐) 。表皮层与栅栏层细胞加厚的外切向壁彼此相 连，上有一层非细胞结构的蜡质层。栅栏层由单层长柱状厚壁细胞的大石细胞构 成，细胞的长轴一般与种子的表面垂直，细胞排列紧密，占据种皮的大部分，是 水分进入种子的主要障碍层。而银杏的种皮是由管胞所组成，这种结构上的特性 可能决定银杏种子的不耐储藏性。银杏的种壳与枝干一样，也是由管胞组成的木 质化结构，这与其他植物种子不一样，且外表无蜡质层。其种壳管胞为单分子结 构，长度为7 9 7 1 8 6 opm ，排列方向与种子的缝合线平行，与赤道垂直，且 肉两极点处延 孛，构成银杏_ 种子外壳壁的管胞具有明显的穿孔，且属具缘纹孔， 孔径大小为1 1 9 4 0 6 | im ，是种子与外界进行物质交换的通道。但它与其他植 物特别是豆科植物有所不同，豆科植物的种子表面具有种脐。种脐由网状管胞群 所组成。从电镜照片可以看出，银杏种壳没有这种网状结构，仅是由管胞组成， 而且管胞的表面和内部均具有大量的穿孔，穿孔密度很高。由于银杏种壳外表无 蜡质保护，因此银杏种子抵御外界环境变化的能力较差。在生产实践中，银杏种 子收获后失水很快，很难保存，这是银杏的重要特征之一。 银杏壳主要由纤维素和半纤维素组成，仁壳阃隙较小，壳质硬而较难破壳。 为了增加果核脱壳率，必须使果核破壳前变形量越小越好，而破壳前的变形量除 了与果壳的纤维含量有关外，亦与果壳含湿量有关，含湿量越低，果壳脆性增 强，破壳前变形量减少。 果壳和果仁是不同的材料，其采用不同的弹性模量，果壳的刚度相对于果仁 的要大很多倍。弹性模量是参考木材的弹性模量得出的，由前面的白果果壳的 龟镜研究结果可知，银杏的种壳与枝干一样，也是由管胞组成的木质化结构，这 与其他植物种子不一群，所以其弹性模量可以参考本材的。而木材的力学性质是 由木材的解剖学特征决定的。从微观组织的角度出发，木材可以被认为是圆柱正 交各向异性材料，其正交坐标系的3 个坐标方向定义为径向、切向和纵向( 树干 长度方向) 。在这3 个方向上的硬度和强度相差较大，而在纵向上的杨氏弹性模 量要比其他两个方向的数值要大一个数量级左右，并且在抗拉强度方面的差异甚 9 华蘑理工大学工学硕士学位论文 至更大，对于有的成熟木材的顺纹抗拉强度与横纹( 弦向和径面) 抗压强度会相 差到倍左右阳。在级向变现出来的超高强度和硬度憨本槠的管腱结构所形成酌 结果，因为这些管胞( 也称纤维) 在木材结构中占有统治绣位，它们的长径比可 以达到1 0 0 ，并且和树干的纵向平行。所以在分析中，将采壳也视为正交各离异 性的材料，参考有关文章，确定其其纵向、径商、切向的杨氏弹性模：鏊分别为 1 2 7 g 、0 9 蚵p a 、0 a 3 g p a ：檑应的剪切弹佼模最分剐为潮隔枷、& 7 4 g p a 、 树一。由木材的箍弹曲线m ，可以把木秘看成线弹性戆材料。总褥言之，就 是将粟壳傲为线弹性正交各肉异性材料研究对象。 2 2 白果的可脱壳性研究 自采廷有名抟坚果之一，於壳比较坚璎嚣祭仁柔嫩，彤状不规则，贱壳存衣 很大的难度，虽然对于其他坚果如核桃、沙棘籽、板栗等先不论这些装置的脱壳 效率的好坏，至少毒朝应脱壳装置的存在，瑟用于白果的脱壳的装置是一个空 白，两出于坚果器骞鲍物理性缓和结构的不同，脱壳装置之间几乎不具备通用 牲，鼹每种脱壳装矍都是针对特定的坚果秘类的。所以盔研戥可以用于白果的脱 壳装置之翦，先要对白果的可脱壳性能进行研究。 2 2 1 白果壳受外力破坏形式 经过实验，了解了白果果壳在施加不同方向载荷受力时破坏的的情况和所需 的引起破坏的所需施加力的大小。同时，囱果的果壳在受力破坏时呈脆性，没有 延展性。在实验中，针对自果的矫形特征，在3 个方商上施勰了载荷，观察果竟 的破坏情况，加载方式见图2 4 。 曲俄棱上加簸 b ) 沿厚度热载 c ) 沿长转热载 图2 4 实验载荷施鸯耩方式 r i 9 2 4 疆罄羽母堍髓辔薛i 耐h t e s t 第二章白果可脱壳性研究及受力分析模型 实验结果可以参看图2 5 ，在各种加载方式下裂纹的产生部位和扩展方式 是不同的。当载荷加在侧棱上( 图2 5a ) 中，中段产生横向裂纹，主要产生 沿棱边的纵向裂纹；中段的裂纹是从受力点开始向壳体中间蔓延，比较有方向 性，同时产生的沿棱边的裂纹环绕整个壳体的后半部分，这一部分裂纹对脱壳起 主要作用。这个沿棱边裂纹产生的原因是有两点：一是在这个部位的应力相对最 大，而是这部分结构是棱边，是果壳两部分结合的地方，结构呈现不连续，这样 在被施加载荷的时候会引起应力集中。当沿短轴施加载荷( 厚度方向) ( 图2 5b ) ，裂纹是以加载中心为原点向四周辐射，裂纹的发生的具体方位是随机 的，但是总的规律是呈车幅状，同时伴随在加载中心有凹坑，这是由于在集中力 载萄下壳体中间部位的刚度不够导致的，引起了较大的变形。当沿长轴旌加载苟 ( 图2 5c ) ，裂纹的产生部位主要是集中在壳体的尖端，总的效果是看起来 壳体的尖端被压碎。尖端部分受力的截面积很小。在这个部分的应力是最大。 曲侧棱上加载 b ) 沿厚度加载 c ) 沿长轴加载 图2 5 各种载荷施加方式下的裂纹产生部位 呼一51 b e 姗b 酬缸d 械幻恤枷慨n 幽0 f 枷 由以上的实验，可以缛到，最好的宏观加载方式是方式2 4 ( a ) ，在这 种方式下，裂纹的产生部位和扩展比较符合脱壳的需要，这也说明了白果脱壳的 可行性。 采用图2 4 ( a ) 加载方式，经实验测量使果壳开裂的平均挤压力为 6 0 n 。该值与加载速度有关，加载快时该值减小。 2 2 2 白果受搓、揉、撕扯等动作的开裂情况圈 脱壳实验装置：分成上模和下模( 都带有型槽，以防止白果无规则运动) 两 部分。下模固定，上模沿型槽纵向往复运动。上、下模之间间隙可调。随着滑枕 的运动，白果在上、下模之间受到搓、揉、挤压和撕扯。通过改变上模往复运动 速度和上、下模之间的间隙以及采用不同形状和材质的型槽，白果所受到挤压 力、切割力和摩擦力发生变化，对应产生不同的破壳和脱壳效果a 在适当的工艺 l l 华南理工大学工学硕士学位论文 = _ ! ! 目_ l e _ - - b 日e e ! s e e e i i _ _ _ _ _ l = ! ! ! = ! 条件下，白果壳被破坏成多片并与果仁分离，从而获得较好的脱壳效果。 2 3 静压载荷下白果壳变形和开裂的有限元分析 2 3 1 有限单元分析方法简介 研制和改进白果脱壳设备首先要解决最佳旌加力的方向和施加力的方式。而 以下在前面实验的基础上应用有限单元分析方法对在各种施力状态下银杏果实的 应力分布进行了具体分析，并得出了最佳施力方向和施力方式。给设备研制和改 进以理论基础。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、 且按定方式相互联接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联接方式进 行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解 域。有限单元法作为数值分析方法的另个重要特点是利用在每个单元内假设 的近似函数来分片表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由 未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值来表达。这样一来，一 个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各点的数值就成为新的未知量 ( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问 题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近 似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的增加，也即单元尺 寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高。解的近似程度将 不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 2 3 2 受力分析的基本设定 在这里，叙述受力分析涉及到共性基本因素。在有限单元分析方法中，必须 要先建立由受分析的物体的所抽象出几何模型。在以下的白果受力分析中，有限 单元法分析软件采用著名商用软件a d 8 y s a l ，由于该软件只有有限的几何建模功 能，不具备曲面造型功能，所以受力分析中所用到的白果模型均由u l i 鲫p l i c 公司 的大型商用3 维c d 软件啉建立，然后所用到的模型会被导入a d c s y 弧i 中，以进 行下一步的分析。 2 3 ，2 1 受力分析基本物理参数、失效准则白果果壳的弹性模量参见2 i 2 中所述 经试验测定，果仁的弹性模量取值为伽6 嘞。果壳主要纤维素和半纤维素组成， 纤维素和半纤维素在受拉力作用下直至破坏之前塑性变形很小，所以看成脆性材 料，失效形式通常是断裂- 采用第一强度理论( 最大拉应力理论) 作为失效准则，即无论什么应力状 第二章白果可脱壳性研究及受力分析模型 态，只要最大拉应力o 达到0 。就导致断裂。于是得到断裂准则 吼= 吒 ( 2 1 ) 以这个准则作为受力分析时的失效的判断准则。 2 3 ，2 2 白果的几何模型由2 ，1 1 中知道了白果的各个尺寸值，得到白果的计算机 3 维实体几何模型。白果外观模型和截面见图2 6 、图2 7 。 图2 6 几何模型外观 图2 7 白果模型截面 r 醴一6t h e 却p c 触i m d 萨跚魄i 阿t r h i 奄2 7s e 咖茁曲1 9 蛔m o d d 白果果壳与果仁的几何模型见图2 8 、图2 9 ( 各取一半模型) a a ) 模型 b ) 照片 曲h 肋d e lb ) n 咖 图2 8 白果果壳半模型 蹲- - 8m 啪删d 鲥鲫 图2 9 白果果仁半模型 瑰2 9 t h e h 豳r 肿阻d ! 罾n d 删妞 d 华南理工大学工学硕士学位论文 ri i i i 自= e j _ l _ _ e ! ! = = i _ _ e ! = ! ! 自l _ _ = = = ! e _ _ - - 自自= = = j _ ，自! = = = l ! 自e ! = 在图2 6 中，标注有座标系，x 、y 、z 轴的方位见图，以后的受力分析 中，x 、y 、z 轴以此图为准。 2 3 2 3 载荷加载方式由于白果的果壳形状，以及从本文2 2 节中所做过的研究， 可以知道，在图2 4c ) 中的载荷施加方式是最不可取的，其只有在白果的尖端 产生裂纹，最终导致尖端被压碎，而对白果其余的部分没有什么影响，所以在下 面并没有列出来作为受力分析的对象。虽然在图2 4 中对其余两种载荷施加方 式下的白果的裂纹产生进行了试验并有了感性认识，但并没有对在载荷作用下白 果果壳的应力分布与变形方面进行揭示。为了掌握白果受力后的破坏规律为脱壳 设备的调试和改进提供参考，本文对图2 4a ) 和b ) 所示两种载荷施加方式 用有限单元分析法进行了受力分析，以期找出最佳的施加载荷的方向和位置。此 外，由于在白果脱壳过程中，白果受到的实际载荷往往是分布力而不是集中力， 所以本文还采用有限单元分析法对分布载荷作用下白果壳的应力应变进行了分析 ( 分布载荷的作用方向和位置与图z 一4 a ) 相同。 a )b ) 圈2 l o 加载方式模型 f 毽2 一l o b i d 凼c i f h d s 铂由堍醢出 各种加载方式模型见图2 一1 0 ，其中a ) 对应于图2 4 a ) ，是在果壳的x 轴 向最大尺寸处x 1 y 截面内沿x 轴向施加集中力载荷；b ) 对应于图2 4 b ) ，是 在果壳的x 轴向最大尺寸处x - y 截面内沿z 轴向施加集中力载荷；c ) 对应于图 2 4 c ) ，是在果壳的x 轴向最大尺寸处) 【- y 截面内沿x 轴向施加分布力载荷。 2 3 3 白果受力有限元分桥模型的建立 觚s y s 中自果脱壳的受力分析过程框图可以见图2 1 1 阿a 对于有限单元分析方法来说，其对般问题的处理过程分成：前处理、求解 和后处理，而后处理又有通用后处理、时间历程后处理等的区别。前处理是整个 分析的前奏，主要涉及到分析所用的几何模型的建立、元素类型的选择及属性的 第二鬻自累可脱壳性研宠及受力分扳模型 _ _ - l _ - _ - _ _ l _ _ - _ - _ _ - - _ i i i i ii _ _ - i _ - d _ - _ _ 输入、网格的划分等。而求解部分主要是关于载荷、约束施加和问题求解。通用 后处理部分则是对求解的结果避行解读，并将结果接需要的形式来显示出来。 驴叵母叵巫至 q 匦一臣卜脚 图2 一n 受力分析过程框图 f 嗨2 1 l m 。d 姗埘锄啦凼n 哪d 瞰 简对于白果受力分析来说，由于尉蹴1 本身建立模型的模块的局限性( 不 具备复杂形体建模能力) ，所以在以上的般处理过程中加入了a n s y s 6 , l 从外部 环境导入几何模型的环节。将前处理、求解和后处理等备个部分运行过程用框豳 表示如图2 一1 2 。从图中可以糟到有模型修补的环节，这是因为在从外部环境中 导入几何模型时，几何模型会出现缺陷，点、线、面之间的从属关系会出现错 误，例如，应该是在某个平面上的线在导入后不再在该平面上，并伴随有不连续 的问题等。在导入的过程中， 删会去掉局部的小的细节，在这个过程中也会 伴随错误发生，如栗导入的文件格式楚豁妪，剜婚y s 本身会提供一个修补工 其，按着提示修补就可以了，很在这里导入韵是璐鹩罐格式的文件，a n s y $ 本 身不提供修补，但会报告锈误，所以在这攘有模囊修补酶环节。修幸 好的几何模 型才可戬被搿来迸行下一步的轻理。否弼会国瑶笼法翅分裾格或是袋解过程高凌 不收敛的问题等。 圈一匪母莲到 图2 一1 2 受力分析的前处理部分 l 筘一1 2 砸瑚争诬髂g 睫锺m 耐t i 嘲锄由盎 华南理工大学工学硕士学位论文 自e = _ e ! j _ _ e 目i e = _ = 自自自= _ e = 自e 自 图2 1 3 受力分析的求解部分 i 鸹2 1 3t h e s o l t l i m 叫研m 。d 瑚血丑锄i b 醯 选择载荷步，读入相应结果数据数据按要求进行处理并显示 图2 1 4 受力分析的后处理部分 l 碡2 一1 4j r k g 骶畦p o 嘟旺e s 8 0 r 西斌d l 重蚶鳓由邀 在有限单元分析方法中，是采用实体整体离散化成多个单元来进行的：是用 数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 单元的类型进行模拟，并利 用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未 知量的真实系统。 而真实的物理系统是由几何结构和载荷工况来组成的，而有限元模型是真实 系统的数学抽象。 在已经导入的凡何模型的基础上，还要确定载荷，为下一步分析做准备。物 理系统的有限元模型是由单元组成的，所以在形成真实系统的有限元模型之前还 要对所用单元的类型及性质、属性加以确定。 单元是组成真实系统的有限元模型的基本要素，单元包括：单元名称、单元 的结点、单元的自由度、单元的实常数、单元的材料属性、单元的表面载荷、单 元的体积载荷以及其它各自的特别属性等。单元名字只是个标示，单元的其它属 性才是重要的。这里只能白果受力分析中所用到的单元的属性进行确定，其它单 元为了阐述的需要也会涉及到。 下面的单元是基于变分原理建立的，最小位能原理的未知场变量是位移。以 节点结点位移为基本未知量，并基于最小位能原理建立的有限单元称为位移元， 它是有限单元法中最常用的单元。 在一个给定i q 题的分析中，决定性的步骤之一就是选取适当的单元，至于广 义坐标有限元方法的特点，即首先将场函数表示为多项式的形式，然后利用节点 条件，将多项式中的待定参数表示成场函数的结点值和单元几何的函数，从而将 场函数表示成由它的结点值插值形式的表达式。无疑这一过程比较麻烦，且有时 会遇到困难( 如矩阵的逆矩阵不存在) ，而利用面积坐标( 自然坐标) 可以方便 一 第二章白果可脱壳性研究及受力分析模型 。l 。_ _ _ i l l _ 二二二二一；i ； 的建立单元的插值函数，所以下面的单元是用自然坐标来建立单元的插值函数 的。 般来说，单元类型和形状的选择依赖于结构或总体求解域的几何特点、方 程的类型及求解所希望的精度等因素，因而有限元的插值函数取决于单元的形 状、节点结点的类型和数目等因素。 单元可以分为一维单元、二维单元、三维单元、阶谱单元等。每种单元又有 各自的种类a 对于分析中要用到的三维单元就可以是四面体、五面体、长方体或 是一般六面体。对于每种类的单元来说，组成单元的结点数是不同的。从结点的 参数上区别，它们可以是只包含场函数的结点值，也可能同时包含场函数的导数 的结点值。这主要取决于单元交界面上的连续性要求，而后者又由泛函中场函数 导数的最高阶来决定。如果泛函中场函数导数的最高阶为1 次，则单元交界面上 只要求函数值保持连续，即要求单元保持q 连续性，在此情况下，通常结点参数 只包含场函数的结点值。如果泛函中的场函数的导数的最高阶为2 次，则要求场 函数的一阶导数在交界面上也保持连续，即要求单元保持c l 连续性，这时结点参 数中必须同时包含场函数及其一阶导数的结点值一。 关于单元插值函数的形式，有限单元法中几乎全部采用不同阶次的幂函数的 多项式。这是由于其具有便于运算和易于满足收敛性的要求。如果采用幂函数多 项式作为单元的插值函数，对于只满足q 连续性的单元( 称q 型单元) ，单元内 的未知场函数的线性变化能够仅用角( 或端) 结点的参数表示。对于它的二次变 化，则必须在角( 或端) 节点结点的之间的边界上适当配置一个边内结点。它的 三次变化则必须在每边配置2 个边内结点。配置边内结点的另一个原因是常常要 求单元的边