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库尔勒香梨的动态粘弹特性及碰压损伤机理研究

作　者: 吴杰
导　师: 郭康权
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 库尔勒香梨动态粘弹特性碰压损伤接触应力分布冲击能损耗有限元模拟
分类号: S661.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

针对新疆特色的库尔勒香梨碰撞损伤问题,本研究从香梨不同组织的机械特性和果肉动态粘弹力学特性入手,分析香梨果肉的破坏机制及抗冲击损伤的性能,然后应用高速摄像分析的方法,对香梨跌落碰撞中的冲击能损耗与碰压损伤进行深入研究,并采用压力感应胶片测量和有限元数值模拟相结合的方法,对香梨碰撞接触应力分布特性进行进一步研究,确定了香梨碰撞接触应力分布与机械损伤的关系,揭示了香梨碰压损伤的规律,初步实现了香梨碰压损伤的预测和评估,为香梨机械化和自动化作业中的减损结构及工艺优化提供必要的基础数据和科学依据。本研究主要得出如下结论:(1)确定了香梨果肉的弹性模量为2.496 MPa、破坏应力为0.296 MPa、破坏能38.86 N·mm、坚实度为0.022 N/mm2,香梨果核部的各项机械特性参数值明显比果肉部的高;成熟度提高,香梨果肉的弹性模量、破坏应力、破坏能和坚实度都减小,低温储藏期的第2~4月各参数值变化不显著,显著差异发生在香梨由青熟进入黄熟的阶段和香梨过熟阶段;储藏温度升高,香梨果肉各项机械特性参数值呈下降趋势,-2°C低温时的香梨各项机械特性参数较大,但温度在10°C~30°C范围无显著差异。(2)建立了可精确拟合香梨果肉蠕变曲线的六元件广义Kelvin-Voigt模型,相关系数R2≥0.999;香梨果肉在蠕变回复阶段有一定的永久变形,即蠕变损伤,各蠕变参数中延迟弹性柔量对总蠕变柔量的贡献率最大;获得了香梨果肉的动态频谱响应特性,在0.1~10 Hz的频域中,常温下具有常膨压水平下的香梨果肉储能模量G′值范围为0.092~0.177 MPa,损耗模量G″值范围为0.009~0.031 MPa,其储能模量G′远高于损耗模量G″,损耗正切tanδ范围为0.08~0.20,表现出以弹性为主导的粘弹双重特性。(3)随着细胞膨压下降或者温度升高,香梨果肉的动态粘弹模量(G′,G″)逐渐减小,蠕变柔量(J0,J1,J2,1/η0)均逐渐增大,膨压增大或温度降低使香梨果肉趋于硬脆性,反之则使香梨果肉趋于软弹性;香梨的粘弹特性受温度影响较弱,在10°C变温范围内无显著变化,与之相比,膨压调控对香梨果肉粘弹特性有显著影响,是改变梨果肉的质地品质和抗碰撞损伤性能的有效方法;不同膨压水平香梨果肉组织的扫描电镜和光学电镜观察证明,膨压对香梨果肉组织的细胞结构和胞间隙有明显改变,是导致香梨果肉各粘弹参数都发生变化的本质原因,因此通过采摘期梨树适度灌溉或储藏期温湿调控改变香梨果肉的膨压水平,可达到改变香梨抗机械损伤性能的目的。(4)香梨在20~80 cm高度范围跌落,曲率半径较高的胴部比其它部位的损伤严重;在分级、运输和包装作业中应合理摆放香梨的姿态避免胴部碰撞;香梨与钢板、橡胶板、胶合板、瓦楞纸板、EPE板碰撞,在缓冲性能较差的钢板、橡胶板和胶合板上的冲击能损耗率在70%以上,碰撞损伤敏感度为6.32~10.32 N·mm2,香梨冲击能应限制在在0.18 J以下时,香梨才不会发生碰撞损伤;香梨在瓦楞纸板和EPE板这2种缓冲材料上的冲击能损耗率低于70%,碰撞损伤敏感度为2.32~3.74 N·mm2,香梨的冲击能应控制在0.4 J以下,香梨才不会发生碰撞损伤。(5)获得了香梨与不同触件材料碰撞接触应力分布的特征,接触应力峰值为0.5~0.6 MPa,果肉破坏的临界应力为0.2 MPa。与钢板、橡胶板和胶合板碰撞时,接触应力分布特征轮廓接近椭圆形,接触应力为正态分布特征,≤0.2 MPa的接触应力分布在边缘区域且面积很小,0.2~0.3 MPa范围应力的分布面积最大,接触应力分布面积接近香梨损伤面积,应力均值为0.25~0.30 MPa,不随着跌落高度提高而有明显增大趋势;与瓦楞纸板和EPE板碰撞,接触应力分布特征图的轮廓边缘呈现不同程度的放射状,接触应力呈非正态分布,较低冲击水平下,<0.2 MPa应力分布面积较大,接触应力分布面积与香梨损伤面积相差较大,但随着冲击能增大而逐渐减小,当冲击能≥0.55 J时,其分布开始萎缩而趋于边缘化,应力均值为0.19~0.25 MPa,随着跌落高度提高有较明显增大趋势;基于接触应力分布面积和应力均值建立的香梨的损伤面积和损伤体积预测的线性回归模型,可对香梨损伤精确评估。(6)不同储藏温度和成熟度的香梨碰撞接触应力分布面积由大至小顺序依次为:20°C黄熟>20°C青熟>0°C青熟,与之相应,香梨碰撞损伤敏感度由大至小顺序依次为:0°C青熟>20°C青熟> 20°C黄熟,冷藏的青熟香梨出库后,不适宜机械化作业;储藏温度对香梨碰撞损伤敏感度影响不显著,成熟度尽管对香梨碰撞损伤敏感度有显著影响,但远弱于缓冲材料对其影响作用,香梨机械防损应主要依靠接触材料的缓冲性能。(7)以线弹性和各向同性简化考虑,香梨的单层模型,即材料弹性模量取香梨果皮、果肉和果核弹性模量平均值时,可实现香梨在钢板和胶合板上碰撞接触应力分布和损伤的预测,精度可达到80%以上,但在非均质瓦楞纸板上的模拟结果对损伤面积预测的误差还很高,需进一步深入研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-24
  1.1 本研究的背景和意义  13-16
    1.1.1 库尔勒香梨的生产储运现状及存在的问题  13-14
    1.1.2 库尔勒香梨储运过程发生机械损伤的原因  14-16
  1.2 果实碰压损伤的国内外研究现状分析  16-22
    1.2.1 果实碰压损伤的有关力学特性研究现状  16-19
    1.2.2 果实机械损伤的影响因素研究分析  19-20
    1.2.3 果实机械损伤的评估及预测研究分析  20-22
  1.3 果实机械损伤研究存在的问题  22
  1.4 本研究的目标和内容  22-24
第二章香梨不同组织的机械特性研究  24-32
  2.1 引言  24
  2.2 材料与方法  24-27
    2.2.1 香梨采样  24-25
    2.2.2 香梨试样制备  25-26
    2.2.3 香梨试样准静态力学测试  26
    2.2.4 香梨试样的机械特性计算方法  26-27
  2.3 香梨不同组织的机械特性分析  27-31
    2.3.1 香梨果肉与果核压缩时的力-变形  27-28
    2.3.2 香梨果皮拉伸时的力-变形  28-29
    2.3.3 储藏温度对香梨果肉机械特性的影响  29
    2.3.4 储藏时间对香梨果肉机械特性的影响  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章香梨果肉的动态粘弹特性研究  32-49
  3.1 引言  32
  3.2 材料与方法  32-39
    3.2.1 香梨取样  32-33
    3.2.2 香梨果肉组织膨压的调控  33-35
    3.2.3 香梨果肉温度的调控  35
    3.2.4 香梨果肉试样组织的微观结构观察  35
    3.2.5 香梨果肉试样的粘弹力学测试  35-37
    3.2.6 粘弹力学参数的物理意义及分析方法  37-39
  3.3 香梨果肉的粘弹特性分析  39-47
    3.3.1 香梨果肉的动态粘弹频谱特性  39-42
    3.3.2 香梨果肉的蠕变特性  42-45
    3.3.3 香梨果肉组织的微观结构分析  45-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章香梨跌落碰撞的冲击能损耗及损伤研究  49-71
  4.1 引言  49
  4.2 材料与方法  49-60
    4.2.1 香梨采样  49-50
    4.2.2 香梨跌落碰撞测试系统  50
    4.2.3 高速摄像机的拍摄条件  50-51
    4.2.4 香梨碰撞冲击能损耗的影响因素及水平  51-54
    4.2.5 香梨碰撞接触位置曲率半径的测量  54-55
    4.2.6 香梨碰撞的冲击能损耗计算  55-59
    4.2.7 香梨跌落碰撞损伤程度的度量方法  59-60
    4.2.8 香梨跌落碰撞的损伤敏感度计算方法  60
  4.3 香梨跌落碰撞的损伤及冲击能损耗分析  60-70
    4.3.1 香梨不同部位的碰撞损伤差异性分析  60-61
    4.3.2 不同触件材料对香梨跌落碰撞损伤的影响  61-63
    4.3.3 香梨储藏温度和成熟度对跌落碰撞损伤的影响  63-70
  4.4 本章小结  70-71
第五章香梨跌落碰撞的接触应力分析  71-90
  5.1 引言  71-72
  5.2 材料与方法  72-74
    5.2.1 压力感应胶片的测试原理  72-73
    5.2.2 接触应力感应成像的处理及数值化分析方法  73-74
    5.2.3 香梨碰撞接触的冲击力计算  74
  5.3 香梨跌落碰撞接触应力分布分析  74-88
    5.3.1 香梨跌落碰撞的接触应力分布特征图  74-79
    5.3.2 香梨碰压接触应力分布的特性  79-86
    5.3.3 香梨碰撞冲击力与损伤的关系  86-87
    5.3.4 香梨储藏温度和成熟度对其碰撞接触应力分布的影响  87-88
  5.4 本章小结  88-90
第六章香梨跌落碰撞接触应力及损伤的有限元模拟  90-104
  6.1 引言  90
  6.2 材料与方法  90-98
    6.2.1 香梨建模有关物性的测量  90-91
    6.2.2 香梨几何信息的提取  91-92
    6.2.3 香梨有限元建模  92-93
    6.2.4 香梨跌落碰撞的有限元模拟方法  93-98
  6.3 香梨跌落碰撞有限元模拟结果分析  98-103
    6.3.1 香梨不同建模方法的模拟结果比较  98-100
    6.3.2 香梨与不同触件材料跌落碰撞的模拟结果比较  100-103
  6.4 本章小结  103-104
第七章结论与建议  104-107
  7.1 主要研究结论  104-105
  7.2 主要创新之处  105-106
  7.3 研究不足之处及建议  106-107
参考文献  107-114
致谢  114-116
作者简介  116

库尔勒香梨的动态粘弹特性及碰压损伤机理研究

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