动静载荷下薄皮核桃断裂特性研究初探
核桃,作为全球四大坚果作物之一,目前我国的核桃产量以跃居全球之首,并且核桃产量还在逐年增加,对于果农经济收入的增加和核桃加工业的迅速发展,具有重要意义。随着核桃产量的增加其产后加工业的重要性尤为突出,其中首先进行的是采摘后青皮核桃到获得完整核桃仁的过程称为初加工过程,然而核桃初加工过程中不可避免的受到挤压、冲击等载荷作用,使其出现损伤或断裂,进而破坏果壳完整性,导致果仁受到污染,显著影响加工质量和产品品质。因此,有效控制核桃断裂是当前核桃初加工研究亟待解决的重要问题,其中关键在于核桃断裂机理地揭示。以核桃断裂特性为切入点对断裂机理地深入研究,不仅为解决核桃初加工过程中果壳断裂问题提供理论指导,还可丰富坚果断裂问题研究的基础理论和方法。为明晰核桃断裂机理,本文以新疆阿克苏地区主产品种“温185”核桃为研究对象,首先分析核桃在单轴准静态压缩条件下的应力分布情况,采用预制初始裂纹的方法计算应力强度因子,进而推导出临界裂纹长度,然后探讨相关物性参数对其影响规律,综合考虑裂纹位置对应力强度因子的影响规律,然后建立两者之间的数学模型;其次,通过结合相似理论和威布尔分布模型建立冲击载荷下核桃断裂概率模型,将模型中的特征参数定义为核桃在冲击载荷下抵抗断裂的能力,以及裂纹扩展的标准,进而探究特征参数随物性参数的变化规律。此外,对断裂产物进行分析,探讨单位质量冲击能与剩余断裂能和裂纹长度的关系;最后,分析核桃的损伤演化过程,并基于连续介质损伤理论建立核桃断裂模型,将其中的特征参数定义为抵抗损伤的能力。然后探讨核桃尺寸和冲击能量对特征参数的影响规律,并且综合考虑两个因素建立模型。进一步将断裂后的裂纹进行拍照,并描述裂纹扩展路径,使用分维值量化裂纹的粗糙程度,并将分维值与特征参数建立数学模型。具体研究结论如下:（1）阐明挤压载荷下核桃的应力分布及断裂机理。弯曲梁理论和薄壳理论可以描述核桃受压时果壳内外表面的应力分布差异。应力强度因子和临界裂纹长度分别代表了断裂韧性和断裂的临界条件。预制初始裂纹的位置、长度和核桃尺寸对应力强度因子显著影响。通过应力强度因子反推得到临界裂纹长度,核桃位置和核桃尺寸对临界裂纹长度显著影响。为挤压断裂的机理的揭示和核桃断裂特性的明晰奠定基础。（2）揭示核桃在单次冲击载荷下的断裂产生的原因和裂纹扩展所需的能量。核桃尺寸与核桃抵抗断裂的能力和裂纹扩展所需的阈值能量均成线性关系。预制初始裂纹位置对核桃抵抗断裂的能力和裂纹扩展的阈值能量显著影响。断裂后裂纹长度与初始冲击能量成三角函数关系,与剩余断裂能是多项式关系。为断裂的判定提供参考,为裂纹扩展的研究提供理论支持。（3）解析了核桃受到循环冲击载荷下损伤断裂的演化过程,核桃尺寸对损伤累积系数呈线性关系,冲击能对损伤累积系数呈多项式关系。裂纹的分维值与损伤累积系数为多项式关系。为核桃损伤断裂研究奠定基础,此外裂纹粗糙度的研究,可为核桃裂纹扩展过程的研究提供理论支撑。论文研究成果可为核桃断裂特性的深入研究提供支持,以及为坚果类物料的研究提供新方法。
- 作者：
- 李龙
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2022年
- 导师姓名：
- 张宏；曾勇
- 中图分类号：
- S226.4
- 关键词：
- 核桃；断裂特性；强度因子；阈值能量；损伤累积系数
-
- 基金项目：
- 兵团科技发展专项“兵团中青年科技创新领军人才”的部分研究成果（项目编号:2018CB014）课题主持人:张宏 教授（塔里木大学）%国家自然科学基金“ 挤压载荷下薄皮核桃裂碎机理及数值化表征方法”的部分研究成果（项目编号:12002229）课题主持人:曾勇 副教授（塔里木大学）%塔里木大学校长基金项目“ 数值化核桃挤压破壳机理及装备结构优化研究”的部分研究成果（项目编号:TDZKBS202001）课题主持人:曾勇 副教授（塔里木大学）