蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究

收稿日期:2018-05-10
蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究
侯俊铭,李金澎,何
涛,杨勇,白晶波,姚恩超
(沈阳农业大学工程学院,沈阳110161)
摘
要:为探究蓖麻蒴果破壳力变化规律及破裂机理,以1987品种、通蓖7号、通蓖9号及通蓖11号为研究对象,首先计算其球
度,并采用WDW-2型微机电子万能试验机进行准静压力学特性试验,测得4个含水率下的蓖麻蒴果在顶部加载及中部加载下的破壳力,并根据试验结果将破壳过程分为达到破壳力、外种皮破裂及籽粒破损三个阶段。

试验结果表明:品种对球度无显著影响;品种对破壳力有显著影响,1987品种蒴果破壳力最小,通蓖7号及通蓖11号次之,通蓖9号最大;含水率对破壳力有极显著影响,破壳力与含水率呈二次曲线关系;加载方式对破壳力有显著影响。

其次将蓖麻蒴果视为球体,计算其在51.26N 的作用下球心应力为0.80MPa。

最后以通蓖11号蒴果为例,对破壳各阶段进行有限元分析。

结果表明:顶部加载下达到破壳力时室与室结合破坏,在内侧形成缺口,外种皮破裂时裂纹在缺口处延伸,单室蒴果在法向最大轴线处种皮破裂,籽粒破损时籽粒裂纹在法向最大轴线处形成;中部加载下达到破壳力时,外种皮破裂阶段与顶部加载相同,籽粒破损阶段裂纹出现在切向最大轴线处。

仿真分析得到的裂纹与试验结果一致,中心点处应力计算值与仿真结果比值为1.17。

研究结果可为蓖麻蒴果脱壳机关键部件的设计提供参考。

关键词:蓖麻蒴果;破壳力;有限元;破裂机理中图分类号:S565.6
文献标识码:A
文章编号:1000-1700(2018)05-0574-10
Experimental and Finite Element Analysis of
Mechanical Properties of Castor Fruit
HOU Jun-ming,LI Jin-peng,HE Tao,YANG Yong,BAI Jing-bo,YAO En-chao
(College of Engineering,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161,China)
Abstract :In order to explore the changing rule of breaking force and breaking mechanism of castor shelling,
the varieties of
Variety 1987,Tongbi 7,9and 11were taken as the research object in this article.The sphericity of castor fruit was calculated firstly,and the quasi-static pressure characteristics to measure the shell breaking force at the top and middle loading of the castor fruit at 4moisture contents was measured by WDW-2microcomputer electronic universal testing machine.According to the experimental result,the broken process was divided into three stages:the breaking force,the exocarp rupture and the grain damage.The result showed that the variety has no significant effect on sphericity,but it has a significant effect on the breaking force.The lowest breaking force was Variety 1987,followed by Tongbi 7and Tongbi 11,and Tongbi 9was the largest one.The moisture content had a very significant effect on the breaking force.It was quadratic curve relationship between the breaking force and the moisture content.The loading method had a significant effect on the breaking force.Next,the castor fruit was regarded as a sphere,and its center stress under the force of 51.26N was calculated to be 0.80MPa.Finally,using Tongbi 11as the mechanical model,finite element analysis was performed on various stages of shell breaking.The results showed that the chamber-to-chamber combination was broken when the top-loading reached the breaking force.The notch was formed at the inside and extend at the gap where is the maximum axis of normal in single chamber capsule when the exocarp rupture,and
the seed cracks formed at the maximum axis of the normal direction when the grain was damaged.Under the middle loading,the breaking force and the exocarp rupture had the same phenomenon as the top loading,but the seed crack appeared at the maximum tangential axis when the grain was damaged.The crack obtained by simulation analysis was consistent with the test result,and the ratio of stress calculation value at the center point to simulation result was 1.17.The study may provide reference for research on the design of the key parts of the castor shelling machine.
Key words :castor fruit;breaking force;finite element simulation;fracture mechanism
侯俊铭,李金澎,何
涛,等.蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究[J].沈阳农业大学学报,2018,49(5):574-583.
沈阳农业大学学报,2018,49穴5雪:574-583Journal of Shenyang Agricultural University
http ://
DOI:10.3969/j.issn.1000-1700.2018.05.009
侯俊铭等院蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究
第5期--
蓖麻蒴果是世界十大油料作物之首,含油量极高,可达45%~54%,远高于其他油料作物,是重要的航空润滑油原料,有着不可替代的地位,也可用于生物能源、聚合物及精细化工等方面的制备,视为可再生的“石油”资源[1-3]。

在机械脱壳和清选过程中,因力学特性而产生的机械损伤较大,易出现裂纹或隐形损伤,不利于后续过程中蓖麻蒴果的加工及产出,更对发芽率的有劣性影响,进而影响产量[4-5],故研究其力学特性十分必要。

近年来对农业物料力学特性的研究比较广泛,王京等[6-9]对花生品种、直径及百粒重的均齐性进行研究,并分析了荚果的力学特性及损伤性质;高连兴等[10-12]研究了不同含水率下大豆破裂强度、弹性模量和压缩功的变化规律,并对脱粒时的机械损伤进行分析;马秋成等[13]对莲壳、莲仁进行了力学特性参数的测定,通过有限元方法加以验证,确定最佳受力方式。

沈成等[14]对苎麻木质部和茎秆整体的整秆进行了轴向压缩力学特性的研究,得到木质部承担主要承载作用的结论。

侯俊铭等[15]以辽宁地区主栽品种花育23和鲁花1号花生种子为研究对象,对破壳力和变形量进行试验,并通过有限元仿真对变形量进行详细分析。

黄志辉等[16]对湘蓖一号进行试验,测量其三轴尺寸并计算球度,分析蓖麻蒴果加载时应力状态为二向应力状态,相同含水率下中压破壳力小于顶压。

汪志兵等[17]对红麻蒴果在顶部与中间位置进行力学特性测试试验,分别讨论顶压及中压下的破裂形式。

曹玉华等[18]测量了淄蓖五号各部位厚度及蒴果受压时的变形能,对蒴果破裂时的裂纹形式进行讨论,并对顶压及中压时蓖麻蒴果种皮的应力分布进行分析。

刘汝宽等[19]以湘蓖一号为研究对象,建立有限元模型,证明蒴果壳体与蓖麻蒴果籽之间的空腔距离足已实现蓖麻蒴果剥壳后蓖麻蒴果籽完整率的结论。

LORESTANI 等[20]测量了蓖麻蒴果籽粒的长度、宽度、厚度、几何平均直径、算术平均直径、球形度、等物理特性,及弹性模量、在屈服点初始断裂所需要的最大力等力学特性,为蓖麻蒴果收获、加工、运输、分离和包装设备的设计提供参考。

ARE⁃DEBILI 等[21]测量了蓖麻蒴果断裂力、断裂时的能量,以及弹性模量等力学参数,并分析了加载速度对弹性模量及断裂时能量的影响,最后设计并搭建了一种提取蓖麻油的设备。

UGWU 等[22]针对蓖麻蒴果、籽粒的力学特性和空气动力学特性进行试验,并分别分析其与含水率的关系。

综上所述,目前对农业物料及蓖麻蒴果脱壳的研究取得一定进展,但是对蓖麻蒴果而言,其破壳力的分析多在不同加载方式下单一品种进行讨论;有限元仿真方面,由于形成单室蓖麻蒴果时,在蒴果内侧已经形成近似菱形的豁口,故分析单室蓖麻蒴果的破裂形式仅为研究蓖麻蒴果破裂规律的一部分,需对蒴果整体情况下的加载进行分析。

本研究针对通辽地区4个品种蓖麻蒴果,分别测定4个含水率下顶部加载及中部加载下的破壳力,对破壳过程进行阶段划分,分析各因素对破壳力的影响,并通过仿真分析各阶段蓖麻蒴果破坏形式和特征,为设计蓖麻蒴果脱壳机关键部件提供理论支持。

1材料与方法
1.1材料及仪器
试验采用内蒙古通辽市农业科学院采摘的1987品种、通蓖7号、通蓖9号及通蓖11号蓖麻蒴果。

其中1987品种外种皮无刺,其他3种外种皮有刺。

蓖麻蒴果结构如图1。

试验仪器有美国因斯特朗公司生产的Instron3344系列WDW-2型微机电子万能试验机(图2)、长沙试验仪器公司生产的SFY-60红外线快速水分测定仪、电子天平(量程0~30g)、游标卡尺(精度0.02mm)。

1.2试验方法
1.2.1蓖麻蒴果球度的测量蓖麻蒴果三轴尺寸测量方向如图3。

用游标卡尺(精度0.02mm)测量D 1、D 2、D 3,每组100个,每个品种5组,通过式(1)分别计算每次试验的球度,取每组平均值为试验结果。

S =D 1D 2D 33
√D
(D =MAX D 1,D 2,D 3{})(1)
式中:S 为球度;D 1为蓖麻蒴果高(mm);D 2为蓖麻蒴果外圆大直径(mm);D 3为蓖麻蒴果外圆小直径(mm)。

1.2.2蓖麻蒴果破壳力的测量选择品种、含水率及加载方式进行全因素试验。

4个品种的蒴果各取200个,每个品种平均分为四份,分别放置于室外阳光充足处晾晒。

每5h 各品种收取1组,每组中取20个放入SFY-60红外线快速水分测定仪进行含水率测量,剩余的蒴果分别放入塑封袋内以保证含水率与测量样本相同,期间进行翻滚使每份蓖麻蒴果得到充分晾晒。

考虑日晒因素,分两天晾晒完成。

对每个含水率下不同品种的蓖麻蒴果进行30次压缩试验,每组试验分别进行顶部加载和中部加载各15次,加载速度恒定,得到每次试验的破575
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1.外种皮;
2.内侧外种皮;
3.豁口;
4.籽粒
1.Exocarp;
2.Medial exocarp;
3.Gap;
4.Grain 图1蓖麻蒴果结构图
Figure 1Structural diagram of castor
fruit
1.机架与导轨;
2.压头;
3.机座;
4.急停键;
5.计算机
1.Frame and guide rail;
2.Ram;
3.Frame;
4.Emergency stop key;
puter
图2WDW-2型微机电子万能试验机
Figure 2WDW-2microcomputer electronic universal
testing machine
2结果与分析
2.1蓖麻蒴果球度分析
球度测量结果如图4,单因素方差分析结果如表1。

由表1可知,试验结果p >α,故品种对球度无显著影响,即对蓖麻蒴果进行力学模型建模时,对所有类型的蓖麻蒴果均可使用同一仿真模型。

图3蓖麻蒴果三轴尺寸图
Figure 3Skeleton diagram of castor fruit
表1球度单因素方差分析
Table 1Single factor variance analysis of sphericity
源Source
组间Between groups 组内Within group 总和Sum 平方和Sum of squares
6.0×10-41.0×10-31.6×10
-3
自由度Degrees of freedom
3
1619均方Mean square
2.3×10-46.0×10
-5
F
3.71
P
0.03
注/Note:α=0.01。

2.2破壳过程分析
由图5可知,在0.5s 时三室结构破坏,单室蒴果现豁口。

裂纹出现在豁口处并在单室内侧种皮中心轴线处裂纹加大;1.0s 时外种皮破裂,籽粒完好,内侧裂纹扩张,并在外侧底部出现新的裂纹并沿外侧轴线向上扩张;1.4s 时籽粒破裂,裂纹出现在籽粒外种皮轴线处并沿轴线加大。

由图6可知,其与顶部加载时的破裂过程相同,图4蓖麻蒴果球度测量结果
Figure 4Results of spherical experiment
of castor fruit
0.98
0.970.960.950.94
0.930.920.91
1987品种Variety 1987通蓖7号Tongbi 7通蓖9号Tongbi 9通蓖11号Tongbi 11
1
2
3
4
5
组别Group
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第5期--
破壳力为第一个峰值,随后为各室蒴果外种皮破裂的峰值,最后一个峰值为籽粒破裂。

结合上述分析,可将蓖麻蒴果破壳过程分为达到破壳力、外种皮破裂及籽粒破3个阶段。

加载时间0.5s Loading time is 0.5s
加载时间1s Loading time is 1s
加载时间1.4s Loading time is 1.4s
图5顶部加载破壳过程
Figure 5Breaking process of top loading
2.3破壳力试验结果分析
破壳力试验结果如表2,其单变量分析结果如表3。

由表3分析可知,三因素均对破壳力有极显著影响,其中含水率对压缩载荷的影响最为显著,加载位置次之,品种的影响最弱。

二阶交互作用对破壳力均为极显著影响,其中,品种×加载方式的交互作用对蓖麻蒴果外种皮破裂时的压缩载荷影响最大,含水率×加载方式的影响次之,品种×含水率的交互作用最弱。

三阶交互作用对破壳力有极显著影响。

2.4品种及含水率对破壳力的影响
由图8可知,1987品种破壳力最小,通蓖7号与通蓖11号破壳力相差不大,通蓖9号破壳力最大。

由
于1987品种外种皮无刺,故破壳力较小;通蓖7号、通蓖9号及通蓖11号外种皮有刺,含水率越高,刺越长,其缓冲作用越大,故在含水率为35.56%时差异较大。

含水率为5.09%~23.48%时,其与破壳力呈正相关,在含水率为23.48%~35.56%间时,破壳力随含水率的增加而减小。

理论上含水率越低则脱壳越容易,但在试验过程中,低含水率时破壳力相对较小,但对其内种皮造成了一定的影响,极少数内种皮也遭到破坏,露出白仁。

所以结合
加载时间0.4s Loading time is 0.4s
加载时间0.8s Loading time is 0.8s
加载时间1.1s Loading time is 1.1s
图6中部加载破壳过程
Figure 6
Breaking process of middle loading
图7两种加载方式破壳力与压缩位移图
Figure 7Relationship between breaking force and compression displacement of two loading modes
压缩位移Compressive displacement/mm
50454035302520151050
0.138
0.3190.4780.733 1.020 1.460 1.850
顶部加载Top loading
中部加载
Middle loading
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表2蓖麻蒴果压缩试验处理与结果
Table2Treatments and results of compression experiment of castor fruit
品种Variety 1987品种Variety1987
通蓖7号Tongbi7
通蓖9号Tongbi9
通蓖11号Tongbi11
加载方式
Loading regime
顶部
Top
中部
Middle
顶部
Top
中部
Middle
顶部
Top
中部
Middle
顶部
Top
中部
Middle
含水率
Moisture content/%
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
5.09
17.13
23.48
35.56
1
31.11
115.95
131.95
114.52
42.66
58.52
80.96
62.35
38.26
81.07
95.02
97.20
36.49
104.52
127.51
120.88
58.10
117.57
109.64
115.45
37.62
72.89
98.67
96.16
43.88
94.06
134.13
120.80
44.93
65.54
96.91
55.31
2
26.85
107.53
114.87
119.88
44.47
56.67
80.96
62.05
58.45
72.83
95.02
96.66
36.84
117.32
128.44
121.82
56.35
117.57
128.12
129.87
48.87
86.6
103.3
94.48
44.44
112.67
124.13
113.62
50.54
92.59
101.34
73.54
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
14
19.83
102.19
118.25
117.51
44.92
58.3
78.64
61.05
53.24
85.02
119.91
105.49
32.61
122.55
110.32
123.32
50.35
116.45
133.8
137.04
44.59
89.48
95.23
98.89
41.48
99.94
126.79
114.16
63.1
81.8
96.13
87.8
15
16.07
104.45
108.59
152.68
44.93
64.49
79.64
69.52
69.87
55.82
125.77
81.73
58.78
122.55
128.44
106.20
52.97
128.56
149.69
106.52
49.28
90.27
102.11
86.01
41.76
126.43
109.89
110.03
56.53
106.34
100.82
89.67
均值/N
Average value
23.66
105.21
118.87
124.76
44.37
59.66
81.67
63.44
55.58
71.26
97.30
94.13
36.33
111.34
123.35
115.41
53.04
112.96
127.11
132.40
46.75
85.44
103.61
96.15
42.42
108.64
117.04
111.23
53.00
89.18
103.90
75.66
破壳力Breaking force/N
表3单变量方差分析
Table3Multivariate analysis of variance
源Source
A品种Variety
B含水率Moisture content C加载方式Loading regime A×B
A×C
B×C
A×B×C
误差Error 平方和Sum of squares
16263.11
308732.26
20945.77
5335.64
41308.49
14179.16
43500.08
45666.57
自由度Degrees of freedom
3
3
1
9
3
3
9
448
均方Mean square
5421.04
102910.7
20945.77
593.84
13769.49
4726.38
4833.34
101.93
F
53.18
1009.57
205.48
5.81
135.08
46.36
47.41
注/Note:R2=0.908。

通过SPSS20.0软件分别拟合出1987品种、通蓖7号、通蓖9号及通蓖11号破壳力与含水率的回归方程如表4。

由表4可知,4个品种的蓖麻蒴果破壳力与含水率的关系呈二次曲线关系,能够反映破壳力随含水率的578
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表4破壳力与含水率的回归分析
Table 4Regression analysis of breaking force and
moisture content
品种Variety
1987品种Variety1987通蓖7号Tongbi 7通蓖9号Tongbi 9通蓖11号Tongbi 11
回归方程Regression equation Y =-0.123X +7.003X +1.523Y =-0.115X 2+6.644X +14.911Y =-0.114X 2+6.759X +18.641Y =-0.129X 2+6.699X +18.265
R 0.9950.9910.9980.983
3蓖麻蒴果球心点应力计算
蓖麻蒴果球心点的应力无法通过试验进行直接测量,故采用理论计算进行分析,并通过与仿真结果对比证明其准确性。

图9为蓖麻蒴果受力分析图。

在加载力P n (ξ)(ξ=
cos φ)下,由弹性力学可知,选取一般化布希涅克通解中应力函数γ1及γ3进行计算,调和函数为勒让德函数,得到球心处应力为:
σR |R =0φ=0
=-(42+15ν)P
(7+5ν)πa 2
(2)
式中:γ1、γ3为布希涅克通解中应力函数;φ为所求点与法向线夹角;σR 为法向应力;p 为加载力;a 为半径;v 为泊松比。

4蓖麻蒴果压缩过程有限元仿真
加载方式对破壳力有极显著影响且为定性因素,为进一步探究顶部加载与中部加载下蓖麻蒴果脱壳过程中各阶段的状态,利用有限元仿真模拟不同加载方式下蓖麻蒴果的等效应力、第一主应力及变形量。

4.1模型选取
由于品种对球度无显著影响,故力学模型可唯一。

含水率对破壳力的影响为第一主因素,故应选取接近实际脱壳中蓖麻蒴果的含水率,本次模拟选择的含水率为5.09%。

4个品种中通蓖11号破壳力居中,故仿真模型为含水率5.09%下的通蓖11号。

取该模型蒴果30个,顶部加载与中部加载各15个,利用电子万能材料物理试验机持续施加加载力,测量其在顶部加载与中部加载下的破壳力、外种皮破裂力、籽粒破裂力与外种皮及籽粒的弹性模量,表5为各阶段加载力均值及外种皮、籽粒的弹性模量均值。

表5蓖麻蒴果压缩试验结果
Table 5Results of compression experiment of castor fruit
加载方式Loading regime 顶部Top 破壳力Breaking force
51.26外种皮破裂Exocarp rupture
30.98籽粒破损Grain damage
43.27外种皮Exocarp 42.56籽粒Grain
38.37加载力均值Average loading force/N
弹性模量Elastic modulus/MPa 图8各品种蓖麻蒴果在不同含水率下的破壳力Figure 8Breaking force of castor fruit in
different moisture content
120100806040201987品种Variety 1987通蓖7号Tongbi 7通蓖9号Tongbi 9通蓖11号Tongbi 11
5.09
17.03
23.48
35.56
含水率Moisture content/%
图9蓖麻蒴果受力分析
Figure 9Stress analysis of castor fruit
p
φ
a
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4.2模型建立及网格划分
本次蓖麻蒴果模型建立采用通蓖11号蓖麻蒴果模型。

蓖麻蒴果外圆直径为14.43mm,高为15.56mm,外种皮厚度0.2mm。

蓖麻蒴果每室占角120°,蓖麻蒴果籽粒根据外种皮内壁参照,切向距离为2.8mm,法向距离为1.8mm 进行实体建模。

蓖麻蒴果外种皮弹性模量为42.56MPa,泊松比为0.25;蓖麻蒴果籽粒的弹性模量为38.37MPa,泊松比为0.25[10]。

应用静态力学对蓖麻蒴果顶部加载及中部加载进行有限元分析,网格划分采用默认设置,网格数为36226,符合精度要求。

采取面面结合的方式代替果杆连接,加载方式如图10。

4.3加载条件
结合试验,顶部加载分别施加51.26,30.98,43.27N 的加载力,中部加载分别施加42.21,28.96,34.78N 的加载力。

5有限元结果分析
5.1顶部加载
顶部加载时,三室蒴果承受的压缩作用相同,故每阶段隐藏两室蒴果,有限元分析结果如图11。

由图11a、b、c 可知,加载力为51.26N 时,最大等效应力为10.95MPa,最大拉应力为4.85MPa,最大变形量为1.07mm。

应力集中出现在室与室结合处,应力沿中心轴线对称分布,最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

此
a.顶部加载
Top loading
b.中部加载
Middle loading
图10蓖麻蒴果加载方式
Figure 10The loading method of castor fruit
g.43.27N 等效应力云图
Equivalent stress contours under 43.27N
h.43.27N 第一主应力云图
First principal stress contours under43.27N
i.43.27N 总变形云图
Total deflection contours under 43.27N
d.30.98N 等效应力云图
Equivalent stress contours under 30.98N
e.30.98N 第一主应力云图
First principal stress contours under 30.98N
f.30.98N 总变形云图
Total deflection contours under 30.98N
a.51.26N 等效应力云图
Equivalent stress contours under 51.26N
b.51.26N 第一主应力云图
First principal stress contours under 51.26N
c.51.26N 总变形云图
Total deflection contours under 51.26N
580
侯俊铭等院蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究
第5期--阶段在等效应力应力集中及拉应力作用下,三室蒴果分离,并在各单室蒴果中下部产生菱形豁口;最大变形量为1.07mm,变形未接触到内部籽粒,内部籽粒完好。

由于蓖麻蒴果整体结构被破坏,故采用带有菱形豁口的模型进行随后模拟。

由图11d、e、f可知,加载力为30.98N时,最大等效应力为5.14MPa,最大拉应力为2.06MPa,最大变形量为1.39mm。

应力集中出现在菱形豁口左右两侧,并沿中心轴线对称分布;最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

此阶段在等效应力集中及拉应力的作用下,裂纹在豁口及底部产生并沿应力分布方向延伸,在内外两侧裂纹的共同作用下蓖麻蒴果外种皮破裂;最大变形量为1.39mm,变形未接触到内部籽粒,内部籽粒完好。

由于外种皮已经破裂,此时施加更大的加载力会导致籽粒破裂,故对籽粒进行分析。

由图11g、h、i可知,加载力为43.27N时,籽粒最大等效应力为7.71MPa,最大拉应力为3.09MPa,最大变形量为2.08mm。

应力集中出现在籽粒底端,应力沿中心轴线对称分布;最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

在等效应力应力集中及拉应力作用下,籽粒出现裂纹并沿中心轴线扩张。

由于籽粒外种皮类似薄壳材料,厚度仅为1~ 2mm,此时最大变形量为2.08mm,大于1.8mm,故此阶段籽粒破裂。

5.2中部加载
中部加载时,等效应力云图、第一主应力云图及总形变云图如图12。

由图12a、b、c可知,加载力为42.21N 时,最大等效应力为12.50MPa,最大拉应力为5.71MPa,最大变形量为2.73mm。

等效应力集中出现在室与室连结处与载荷施加区域,应力沿集中区域向外减小;拉应力集中出现在顶端蓖麻蒴果两侧及底部结合处;最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

在等效应力应力集中及拉应力作用下,顶端蒴果与下方两室蒴果内种皮连接被撕裂,内侧种皮出现菱形豁口,三室蒴果分离;最大变形量为2.73mm,内部籽粒完好。

由图12a、b、c 可知,中部加载时最大应力及最大变形均作用于顶端蒴果,故主要对顶端蒴果进行分析。

由于蓖麻蒴果整体结构被破坏,故采用带有菱形豁口的模型进行随后模拟。

由图12d、e、f可知,加载力为28.96N时,最大等效应力为10.25MPa,最大拉应力为6.09MPa,最大变形量为2.12mm。

应力集中出现在菱形豁口左右两侧单室蒴果中心
g.34.78N等效应力云图Equivalent stress contours under34.78N
h.34.78N第一主应力云图
First principal stress contours under34.78N
i.34.78N总变形云图
Total deflection contours under34.78N
d.28.96N等效应力云图Equivalent stress contours under28.96N
e.28.96N第一主应力云图
First principal stress contours under28.96N
f.28.96N总变形云图
Total deflection contours under28.96N
a.42.21N等效应力云图Equivalent stress contours under42.21N
b.42.21N第一主应力云图
First principal stress contours under42.21N
c.42.21N总变形云图
Total deflection contours under42.21N
581
第49卷
沈阳农业大学学报
--
位置,沿中心轴线对称分布,最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

此阶段在等效应力应力集中及拉应力作用下,单室蒴果豁口处产生裂纹,在拉应力的作用下使外种皮完全破裂;最大变形量为2.20mm,内部籽粒完好。

由图12g、h、i可知,加载力34.78N时,最大等效应力为14.80MPa,最大拉应力为8.79MPa,最大变形量为3.17mm。

应力集中出现在籽粒底端,应力沿蒴果外侧向内减小,最大变形出现在蓖麻蒴果顶端,即载荷施加区域。

此阶段在等效应力应力集中及拉应力的作用下,籽粒加载位置出现裂纹并在拉应力的作用下致使裂纹沿中心轴线扩张,最大变形量为3.17mm,大于2.8mm,故此阶段籽粒破裂。

由于中部加载时顶端蒴果承受最大压缩作用,在底端两室蒴果未破裂时内部籽粒已经承受不同程度的破坏,故不对底端两室蒴果进行分析。

5.3仿真结果与试验对比
由表6和表7可知,除中部加载时外种皮破裂时的比值外,其他过程中试验值与有限元分析的形变量比值均接近1,说明有限元分析结果与实际情况较为接近,证明了建立的力学模型的正确性,从而验证了利用有限元方法研究蓖麻蒴果准静态下的破裂规律的可行性。

由于试验过程中各过程为连续性的变化,故形变量值同样为连续性。

有限元仿真中,中部加载时外种皮破裂时的模型与达到破壳力的模型不同,不需要通过加载力破坏整体结构,且施加的加载力小于其破壳力,故中部加载过程中外种皮破裂时有限元仿真的形变量较小,与试验值相差较大;顶部加载的该阶段中,因蓖麻蒴果为三室共同承受加载力的作用,大部分的加载力用于破坏外种皮,仅有部分加载力用于破坏蒴果结构,故没有中部加载时的现象出现。

表6顶部加载变形量的比较
Table6Comparing of deformation on top loading
过程Process
破壳力Breaking force
外种皮破裂Exocarp rupture 籽粒破损Grain damage
试验值/mm
Experimental value
1.11
1.47
2.19
有限元值/mm
Finite element value
1.07
1.39
2.08
比值
Ratio
1.04
1.06
1.05表7中部加载变形量的比较
Table7Comparing of deformation on central loading
过程Process
破壳力Breaking force
外种皮破裂Exocarp rupture 籽粒破损Grain damage
试验值/mm
Experimental value
2.82
3.06
3.31
有限元值/mm
Finite element value
2.73
2.20
3.17
比值
Ratio
1.03
1.39
1.04
顶部加载与中部加载的三个过程中,裂纹产生部位、扩展方向及各阶段形变量与试验结果基本一致,说明有限元分析结果的正确性及指导意义。

5.4中心点拉应力分析
以每0.1s增加5N加载力的情况下,在1s增加至50N并维持0.5s的稳定状态,蓖麻蒴果中心位置所受拉应力与时间关系图像如图13。

由图13可知,中心位置拉应力随加载力的增加而增大,在1s时达到最大值,为0.68MPa,并在随后的0.2s内有较小幅度的变
化,最终稳定。

在p为51.26N、a为7.5mm、v为0.25的条件下,
图13中心点拉应力值-时间图像Figure13The relation of tensile stress-time
on the center point
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.5
时间Time/s
582
583
侯俊铭等院蓖麻蒴果力学特性试验及仿真研究
第5期--值为1.17,证明仿真结果的可信性。

产生差异的原因为蓖麻蒴果模型并非理想球形,且材料非线性,故仿真分析结果与理论计算结果略有差异。

6讨论与结论
品种对蒴果球度无显著影响,破壳过程分为达到破壳力、外壳破裂及籽粒破损三个阶段。

品种对破壳力有显著影响,含水率对蓖麻蒴果的破壳力有极显著影响,加载方式对蓖麻蒴果的破壳力有极显著影响。

品种1987品种破壳力最小,通蓖7号与通蓖11号破壳力相差不大,通蓖9号破壳力最大;含水率为5.09%~23.48%时,其与破壳力呈正相关,在含水率为23.48%~35.56%时,破壳力随含水率的增加而减小,回归分析系数分别为0.995,0.998,0.983及0.991。

加载方式对破壳力为极显著定性因素。

通过有限元分析,顶部加载情况下,各阶段裂纹产生情况:达到破壳力时,裂纹产生于室与室结合处,单室间连结效果破坏,此时最大变形量为1.07mm;外种皮破裂时,裂纹产生于内侧菱形豁口及外侧底部位置,沿最大轴线延伸,此时最大变形量为1.39mm;籽粒破裂时,裂纹产生于籽粒底端部位,沿最大轴线延伸,此时最大变形量为2.08mm。

中部加载下:达到破壳力时,裂纹产生于顶端蒴果内侧,蒴果间连结效果被破坏,此时最大变形量为2.73mm;外种皮破裂时,裂纹产生于内侧菱形豁口位置,沿中心轴线延伸,此时最大变形量为2.20mm;籽粒破裂时,裂纹产生于加载,沿中心轴线延伸,此时最大变形量为3.172mm。

裂纹产生部位、扩展方向与试验结果基本一致,有限元分析得到的变形量与试验结果一致。

有限元分析蒴果中心处的拉应力为0.68MPa,弹性力学计算结果为0.80MPa,结果在可信范围内。

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[责任编辑亓国]。