坚果能量破壳过程的有限元分析开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告题目：坚果能量破壳过程的有限元分析姓名： xxxxxx学号： 201005050xxx指导教师：xxxxxxxxx班级：过控 101所在院系：机电工程学院陕西科技大学毕业设计（论文）开题报告内容课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势1、课题的目的与意义澳洲坚果，别名：昆士兰栗、澳洲胡桃、夏威夷果、昆士兰果，拉丁文名；Macadamia ternifolia F. Muell. 山龙眼科、澳洲坚果属植物在世界上众多的干果之中，澳洲坚果的经济价值最高，素来享有“干果之王”的誉称。

在世界上众多的干果之中，澳洲坚果的经济价值最高，素来享有“干果之王”的誉称。

澳洲坚果果仁营养丰富（呈奶白色），其外果皮青绿色，内果皮坚硬，呈褐色，单果重15—16克，含油量70%左右，蛋白质9%，含有包括人体必需的8种氨基酸在内的17种氨基酸，还富含矿物质和维生素。

澳洲坚果果仁香酥滑嫩可口，有独特的奶油香味，是世界上品质最佳的食用用果，有“干果皇后”，“世界坚果之王”之美称，风味和口感都远比腰果好。

澳洲坚果除了制作干果外，还可制作糕点、巧克力、食用油、化妆品等。

由于澳洲坚果营养丰富、香脆可口、风味独特，被誉为世界最高级的食用坚果。

澳洲坚果可鲜食，但更多是加工成点心，用作面包糕点、糖果、巧克力和冰淇淋等的配料。

果皮粉碎后可混作家畜饲料，果皮还可用作死覆盖，果壳可制作活性炭或作燃料，也可粉碎作塑料制品的填充料。

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

本毕业设计的内容主要是利用模拟软件ANSYS对澳洲坚果能量破壳进行三维数值模拟，了解澳洲坚果能量破壳应力分布情况，为后续坚果破壳的研究以及相关破壳设备结构的整体设计制造提供理论依据和技术参数。

2、国内外技术现状及发展趋势随着我国澳洲坚果的种植面积和产量规模不断扩大，由于产业起步较晚，缺乏相关采后处理、产品加工技术和装备，坚果的脱皮、脱壳工作几乎全部由手工完成，大大增加了加工成本；另外，由于没有及时完成脱皮、脱壳工作，干燥工艺不成熟，导致部分果仁变质，严重影响了产品的质量。

今后几年，随着现有幼龄果园的陆续投产及果园陆续进入丰产期，我国澳洲坚果的产量将大幅度增长，加工技术的匮乏造成的瓶颈问题将变得日益突出。

1 澳洲坚果破壳技术研究和发展现状目前，世界上普遍使用的是压板式澳洲坚果破壳机。

其工作原理是: 坚果进入两压板之间的间隙，然后压板在机构的驱动下，逐渐缩小间隙压破果壳，随后恢复原位.另外，有一种螺杆式破壳机，在螺杆上开有半月型的螺旋槽，坚果由螺杆边输送边压破外壳。

这两种形式的破壳机缺点是压破果壳时也会伤及果仁，果仁的整仁率低，适合坚果产量大的加工。

国内也有关于澳洲坚果破壳机的研究报道，华南热带农产品加工设计研究所1998, 年研制的澳洲坚果锯壳机是将装在漏斗中的坚果经导果管逐粒落入水平半月型送果槽中，在送果连杆的推动下将坚果推入导果槽轮和压果板之间，并与高速旋转的圆锯盘接触，进入锯果状态。

导果槽轮是带动坚果绕锯盘主轴作公转的部件，导果槽轮分成左右两半，分别由齿轮副带动作同步慢速转动; 锯盘装在高速转动的锚盘主轴上，并位于左右两半导果槽轮的中间，锯盘的锯齿高出导果槽轮底部 2-3ram。

弓形压果板安装于导果槽轮的上方，作用是将坚果压贴在导果槽轮上，使锯盘沿着坚果直径的圆周方向进行锯壳。

为了适应一定范围内大小坚果的锯壳与输送，压果板与坚果接触的表面贴弹性材料。

锯壳过程中，坚果除由导果槽轮带动绕锯盘主轴公转外，还受旋转和摩擦力课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势矩的作用而产生自转，当坚果通过压果板时，已完成锯壳过程。

经试验测定，试验型坚果锯壳机的效率为15kg/h，完全锯开率( 锯开两半壳) 约为 70% ，其余 30% 可使用简单的工具撬开。

在完全锯开的坚果中，整仁率为60% 。

由于试验的坚果锯壳前的干燥处理不理想，大部分坚果的果仁与果壳在果蒂处粘结，直接影响整仁率，如果采取合理的干燥工艺，整仁率可以提高。

广西壮族自治区亚热带作物研究所于2008年研制了板式澳洲坚果脱壳机和链式澳洲坚果脱壳，板式澳洲坚果脱壳机螺旋轴由电动机或柴油机为动力，通过传动机构带动脱壳机构旋转，脱壳机构是以等距式或变距式螺旋轴和渐变距弧形脱壳板构成，坚果从进料斗进入后直接进入螺旋轴，受到螺旋轴和脱壳板的挤搓，果皮裂开，种子脱出，果荚和种仁分离收集，完成脱壳的过程。

2009年中国热带农业科学院农业机械研究所研制了剪切式澳洲坚果破壳机，工作时澳洲坚果从进料斗落入落果槽，沿着带有一定倾角的落果槽进入果实定位装置上，旋转轮通过传动机构带动滑块向下移动，滑块带动刀具下移，对坚果进行破壳剪切; 与此同时，在滑块下移的过程中，带动杠杆以支架为支点进行转动，使杠杆的位于进料斗的出口处的一端向上移动，对进料斗的出口起到疏通的作用，防止坚果堵塞进料斗；当滑块向上移动时，在复位弹簧的拉力配合下，使杠杆回位。

3澳洲坚果破壳技术发展对策从澳洲坚果的发展与市场需求来看，2006年世界澳洲坚果种植面积7.8 万 hm2；每年以 15%-20%的速度递增，市场需求在40万t 以上。

如果市场需求按 10% 的速度递增，20年内市场难以饱和，种植前景与市场前景看好。

3.1 政府高度重视由主管部门牵头，集中资金研究澳洲坚果的加工。

重点放在去皮、干燥和剥壳工艺与设备的研制或者是引进相应配套设备( 包括脱皮机、分级机、干燥机、包装机等) ，同时使该生产线成为组合式，既能够单机使用，也能组合起规模加工，产生规模化效益。

3.2理论基础研究对坚果脱皮、破壳的基础技术研究国外已经开展，但国内目前仍处于空白状态!今后要加强对其理论基础研究，研究其果实力学性能及脱壳机理，为加工制造脱壳机械提供理论依据。

3.3 加工前预处理加大加强澳洲坚果加工工艺和设备的研究。

由于坚果大小不一，目前很难统一加工，在破壳前进行必要的分级筛选处理; 分级后采用冷冻干燥或干燥预处理，据相关研究表明干燥处理更能明显地改善坚果的脱壳效果。

3.4深加工技术延伸通过试制澳洲坚果带壳果和果仁产品，丰富市场澳洲坚果产品品种，增加产品的附加值。

目前，国内对澳洲坚果果仁的深加工只限于简单、小规模的烘烤罐装出售，而国外已经将其做成相应的坚果油、坚果巧克力、糕点等高产值的产品，随着种植面积的加大，相应的产品开发也势在必行。

果皮粉碎后可混作家畜饲料，还可用作死覆盖;果壳可粉碎作塑料制品的填充料或作燃料。

果壳也是一种十分理想的活性炭加工原料，可以通过定点加工收集果皮、果壳变废为宝，增加果农收入。

课题的主要任务和内容；研究和设计中可能遇到的问题以及解决的方法和措施1、主要任务搜集资料，了解澳洲坚果能量破壳的工作原理；搜集模拟软件，进行初步了解，选择一种适合进行能量破壳三维数值模拟的软件（初步定为ANSYS）；熟悉并掌握软件的操作步骤，利用软件进行模拟，得出相应关系图；讨论不同条件（如温度、压力等）对能量破壳所产生的影响以及寻求能量破壳应力最理想的状态；对所得结论进行分析总结。

2、内容1. 实验材料：澳洲坚果为蓇葖果，顶端具短尖，种子通常球形，外果皮革质，直径25～30mm，果壳坚硬，壳厚大约2mm，种子乳白色。

2.了解坚果真空干燥破壳机理：澳洲坚果真空破壳的动力原理在于热量导入坚果后,坚果壳水分不断被干燥蒸发,温、湿度梯度的出现使栗壳承受着一定的热、湿应力作用。

同时,果仁内部的水分也不断向外扩散;果仁因失而收缩,与果壳自行分离,壳、仁之间出现一定的间隙;由于果壳致密,果仁水分扩散到壳仁间隙气化后无法及时逸出,真空作用又使壳外压力降低,致使果壳还承受着一定的压差力作用。

由此可见,澳洲坚果真空破壳过程中栗壳主要受以下 3 方面的载荷作用:因加热温度梯度引起的热应力;因水分扩散湿分梯度引起的湿应力;壳内水蒸气与壳外真空引起的压差作用力。

为获得热、湿应力,需先求解得到澳洲坚果的温、湿度场。

3. 初步建立物理模型：本研究采用真空干箱式燥设备，空箱式干燥设备室间歇式的典型代表。

设备的主要组成是真空干燥箱、加热系统、抽气系统、测量系统、控制系统等。

一般的真空箱式干燥设备有圆筒型和方形两种。

大型的多采用圆形的，这主要是源于圆形外形受压时稳定性好、工艺性好，但是其确定是真空室的有效利用率低。

模型如下：澳洲坚果真空破壳试验装置示意图1. 扰流风扇摇2. 蛇形加热盘管摇3. 数码相机摇4. 丝网料板5. 真空表摇6. 温度表摇7. 蒸汽发生器摇8. 抽真空系统上图中在干燥箱体内有托盘，被干燥的坚果被均匀的放置在托盘上，托盘下部采用电加热设备，将热量主要通过传导传递给物料，从而使坚果温度升高，水分被汽化而聚集到真空室中，在抽气系统的作用下排除。

拟定加热绝对压力为 20 kPa, 加热温度为 75度，澳洲坚果初始温度为30度。

4. 确定工作边界条件：本设计中：①托盘可采用电加热方式，由于电加热功率可控，可视为第二类边界条件（恒定热流密度加热）②箱体四周外壁科适当采取保温处理，以减少热量散失，由于热量散失对本模拟的影响不大，可视为绝热边界条件。

③抽气阀处以保持箱内压力恒定抽气，可视为恒定压力抽真空。

拟定加热绝对压力为 20 kPa, 加热温度为 75度，澳洲坚果初始温度为30度。

5 了解本课题的相关数据，进行初步的建模：为了更好的拟合澳洲坚果的模型,把澳洲坚果桃仁也考虑进去,为此建立几何模型时就把截面分为两部分,截面的建立是通过SolidWorks软件绘制的,然后导入到有限元受力分析软件ANSYS中,采用ANSYS 把坚果8节点壳体单元经网格划分后建立的澳洲坚果壳有限元几何模型。

在真空破壳过程中果壳表现为脆性材料,其破坏方式主要为脆性破坏，因此破坏准则采用脆性断裂破坏强度准则。

6 热质传递模型：为便于处理, 认为所研究的澳洲坚果为规则的半球型澳洲坚果模型半球形采用ANSYS 软件建立的板栗模型。

为简化模型,本文在推导澳洲坚果真空破壳热质传递数学方程时作如下基本假设: 澳洲坚果为各向同性的常物性均匀连续体;忽略澳洲坚果的收缩与变形,果壳与果仁紧密接触；初始时澳洲坚果中的温度和含水率分布均匀,不存在温、湿度梯度。

7 模型求解：采用ANSYS14.5 软件求解坚果真空破壳有限元模型，先进行热质传递模型的求解,然后将求解得到的果壳单元节点温湿度值作为体载荷施加于应力应变模型,并考虑施加在果壳边界上的压差载荷,则可求解上述应力应变模型,最终得到果壳的应力应变分布。

8重复修改模型创建和反复进行数值模拟分析，模拟坚果真空受热破壳的能量状态，寻找坚果受热破壳的最恰当的临界温度。