基于ansys的银杏施力方式的研究

基于ansys的银杏施力方式的研究

1脱壳技术的研究银杏是银杏的一种。它在南方和北方都有村落。主要产于北方。其果仁有很高的药用价值,可以提炼出治疗心血管病等的良药。果仁也可适量食用,有助于养生延年。在药用和食用之前,必须破除其外壳。由于银杏果壳坚硬并紧贴柔嫩的果仁,故至今尚无专用的脱壳设备,依靠手工脱壳,费时费力,同时对果实的保鲜带来很大困难。研究银杏的机械脱壳是生产实际的需要。坚果脱壳方法有化学、物理等多种。化学脱壳方法主要是将果实浸入脱壳溶液中,软化外壳并溶去一部分,然后再利用机械脱去已软化的外壳。物理脱壳方法主要有高真空度脱壳、高压脱壳和速冻脱壳等。高真空度和高压方法脱壳主要是利用果壳内外的压力差来脱壳,但是这两种方法都要求脱壳过程在瞬间全部完成,否则由于内外压力差很快达到平衡而丧失脱壳作用力,而实际上果实各处的强度是有差别的,所以总的来说脱壳效果不好。目前最常用的脱壳方式是机械方法,使外壳在机械作用力下开裂或是破坏,利用滚、搓、碾等动作脱去果实的外壳。研制银杏脱壳设备首先要解决最佳施力的方向和施力的方式。本文应用商用有限元受力分析软件ANSYS对在各种施力状态下银杏的应力分布进行了分析,并得出了最佳施力方式,为设备研制提供了理论基础。2银杏银杏银杏几何形状较规则,外壳接近于2次曲面,带有侧棱,如图1。图2是其几何尺寸的统计值。样本(100颗)为市售银杏。形状有共同特征但尺度(粒度)较分散。外壳厚度为0.5mm左右。另从图1b银杏的截面可见,其侧棱处结构不是圆滑的过渡,存在应力集中。对于新鲜果实来说,果仁与果壳之间几乎无间隙,脱壳很难。储存一段时间后,果壳和果仁之间出现一定的间隙(约0.5mm左右)。这时,脱壳相对容易。3苹果的有限元分析1)单元类型:整个果实分为果壳和果仁,果壳采用8结点壳体单元,壳体厚度为0.5mm;8结点壳体单元是二次单元,可用较少的单元数来取得较为精确的结果,同时二次单元可更好地拟合果壳模型,并避免形状检查失败。果仁采用8结点砖形单元,该单元可以退化为6结点。对果壳和果仁两种不同的材质,采用不同的弹性模量,果壳的刚度相对于果仁要大很多倍。类比木质,将果壳的弹性模量取为10MPa,果仁的弹性模量取果壳的1/10。对于横压来说,不同方向果壳的极限强度相差不大。同时引入接触单元,覆盖在已划分网格的相互接触面上。在ANSYS有限元分析软件中,较为柔软的果仁采用CONTA174单元类型来划分,而外壳则采用TARGE170单元类型来划分,CONTA174和TARGE170共同构成接触单元,接触单元可以用来计算果壳与果实之间的相互作用和渗透量(相互接触作用力下引起的实体变形),计入果仁与果壳的相互挤压力而不是单纯的只分析果壳在外力作用下的应力与变形。接触单元是面单元,它们是覆盖在已划分好的实体单元相互接触部分的表面,由于果实结构的对称性,采用1/2的对称模型来进行分析。2)在对称面上加上对称的边界约束,同时限制果壳对称面上的法向位移。3)脱壳力采用分布力或是集中力。加载力的大小是由实验得出的,集中力为200N。在这样的加载力作用下,果壳刚好出现裂纹,而分布力的范围是2mm。分布力为100N/mm,这与实际加载情况吻合,即加载的力有一定的作用面积。在此基础上,进行了3种加载方式的对比分析。一般脱壳是在储存了短时间以后,其果仁和果壳间接触紧密,果壳表现为脆性材料,果壳可能的破坏方式表现为脆性破坏。故破坏准则采用最大拉应力理论(第一强度理论)。4最佳施力方向和方式在脱壳外力的作用下,用有限元方法对鲜银杏进行脱壳受力分析并找出最佳施力方向和方式,3种施力模型见图3。图3中a、b是在不同部位施加集中力所导致的应力与变形的分析;图中b、c是对最佳施力位置的不同施力方式的应力与变形的对比分析。12不同安装层的平均聚集力分析(1)u3000侧棱上y向成应力椭圆的东北部其有限元网格划分见图4a,集中力为200N。果壳进行有限元分析后,其等效应力分布见图4b。从图4b可以看出,在集中力加载处应力最大,接近集中力加载处的区域的应力次之,如果把有较大应力区域看成一个椭圆的话,侧棱上Y向就成了应力椭圆的长轴。果壳在集中力加载方向上(此时为负X轴向)的位移,见图4c。由图可以看到,在集中力加载处的X向的位移为最大(在这里,位移方向为负X方向,图上中央的黑色——在彩图中表现为蓝色表示按算术值反映的位移的最小,所以其绝对值为最大),整个负X方向的位移区域可以看成一个狭长的椭圆区域,侧棱Y向成了此种位移椭圆的长轴。果壳的总应变见图3d。由该图可见,在集中力分布处沿侧棱Y向区域的总应变为最大。(2)集中力对果汁受力的影响网格划分见图5a,集中力为200N。果壳进行有限元分析后,其等效应力分布见图5b。从图中可见,在集中力分布处的等效应力为最大,应力最大的区域构成一个棱形,相对来说,有较大的区域处在高应力区域。果壳在集中力加载方向上(此时为负Z轴向)的位移,见图5c。在集中力加载处位移最大,有较大的一个区域处在大的位移区域。这种情况下果壳的总等效应变见图5d。在集中力加载处应变最大,而且也是有一个较大的区域处在高应变区。(3)区域方向运动特征综合上述等效应力、位移和等效应变图的分析结果可知,图3a加载方式所产生的果壳可能破坏区域比较小,同时有明确的方向性,即沿侧棱Y向产生裂纹的机会最大。而图3b加载方式则反之,其有大面积的区域处于高应力和应变区,没有明确的走向,因此裂纹产生及走向会有很大的随机性。所以,脱壳力的最佳施力方向是图3a中的施力方向。22不同最佳施力位置的比较分析(1)分布力对壳内位移的影响有限元网格划分见图6a,分布力为100N/mm。果壳进行有限元分析后,其等效应力分布见图6b。从图6b可以看出,在这种加载方式下,果壳最大应力的走向很规则并沿着棱边,在其两侧还有两个高应力区域。对应果壳在分布力加载方向上的位移见图6c。在该图中可以看到,最大位移出现在棱边的两侧,这是由于考虑了大变形,并认为果壳的变形是弹性变形。在分布力的作用下,棱边带动临近区域向下变形,在变形到一定阶段时,果壳由于受到果仁的障碍,果仁的强度比果壳要低得多,并且棱边的继续往下运动会引起在其下方的部分果仁往两边避让,引起棱边临近区域果壳因避让果仁而向上运动。这是一种理想弹性的状况。实际情况并非完全这样,而是当最大应力达到一定值时,果壳就会破裂。果壳的等效应变见图6d。从该图中,可以看到,等效应变与等效应力相对应。从银杏外形的几何图形还可以知道,在棱边处,因果壳结构不是圆滑过渡从而会引起应力集中,这与有限元分析图6b中的结果是一致的。(2)应力与应变的分布综合来看,在最佳施力方向上,分布力比集中力具有更好的应力分布。分布力加载比集中力加载具有更明确的应力与应变分布的方向性,沿棱边长轴最有可能出现裂纹。而集中力则会在施力处造成很大应力并在很小的