《基于有限元分析的核桃剥壳技术研究》
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1、课题的目的和意义
1代写的毕业论文课题的目的和意义
核桃又名胡桃、羌桃、合桃等，享有“长寿果”之美誉，是理想的滋补食品。所含的脂肪蛋白质量多质优，还含有糖分、多种维生素、钙、磷、镁、钾、锰、路等矿物质，以及躁质、纤维素、戊聚糖等。据分析：500克核桃肉的营养价值，相当于鸡蛋2500克，牛奶4750克或猪肉1500克，可见，核桃的营养值价是相当可观的。
随着核桃产量的逐年增加，如何对核桃进行深加工，以提高它的附加值等问题就突现出来。核桃脱壳取仁是核桃深加工的第一步，必须首先解决。核桃剥壳技术的水平，直接影响到核桃的脱壳质量，进而影响到核桃的进一步加工。
由于核桃形状不规则、尺寸差异较大、壳仁之间间隙小，壳完全破裂所要求的变形量大。目前国内使用的机械破壳装备由于施力方式不合理，果仁的破碎率较大，脱壳率、整仁率及设备性价等方面满足不了要求。核桃与其他坚果在结构上存在着很大的区别.而且目前国内外对核桃机械特性与破壳机理的研究相对较少（丁正耀等，2019）。用一般的机械挤压方法破壳必将造成大量的碎仁，对于固定挤压间隙的破壳装置来说，挤压间隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一开度内破壳，会出现小尺寸核桃难以破壳而大尺寸核桃仁的破碎率高的现象。因此为了很好的破壳而又保证仁不破碎，就需要：① 挤压间隙与核桃尺寸相适应，有必要在破壳前对核桃进行分级；②合理施力使核桃产生裂纹且变形量小，这是提高核桃破壳机破壳质量的关键因素之一， 因此有必要对核桃的施力方式及结果进行有限元受力分析；③裂纹的扩展是核桃完全破壳的基本条件，按核桃正确姿态喂人进行破壳是裂纹扩展的条件，有必要进行破壳前的导向（史建新等，2019）。
2、国内外发展现状
2。1核桃剥壳技术
核桃的一次剥壳率和高露仁率是衡量剥壳取仁机性能的两个重要指标。而影响这两个性能的关键是剥壳方式（吴斌芳等1996）。对于核桃剥壳技术，剥壳机可以代表技术的发展。一般来说核桃破壳取仁有这样几种方法：1、离心碰撞式破壳法2、化学腐蚀法真空破壳取仁法3、超声波破壳法4、定间隙挤压破壳法。第一种方法，碎仁太多，所以应用很少；第二种方法，由于在实际操作中不好控制，仁易受到腐蚀，处理不好还会造成对环境的污染，因此人们不接受；第三，四种方法设备昂贵，破壳成本高，且破壳效果不够理想；第五种方法是一个值得探索的方向（史建新等2019年）。
2 。1。1核桃分级装置
核桃分级装置是定间隙挤压破壳机的必要装置，对于具有固定间隙的核桃破壳机来说，物料尺寸必须与固定间隙的大小相适应，尺寸大了仁会被挤碎，尺寸小了壳破不开，常见的核桃分级装置有以下几种：
（1）锥辊式分级装置
（2）圆孔筛分级装置
（3）平面振动筛分级装置
2。1。2核桃剥壳装置
目前，核桃破壳机的种类较少，大多采用定间隙多点挤压破壳。这种破壳方式存在一些不足，高路仁比率与破壳率不能兼顾，所以综合破壳效果不理想（董远德等，2019）。核桃破壳装置是核桃破壳取仁机的核心装置常见的破壳装置有以下几种：
（1）对辊窝眼式开口装置
（2）双齿盘齿板式破壳装置
（3）变形恒定破壳装置
（4）内外磨核桃破壳装置
（5）圆盘破壳装置
（6）弧板滚筒破壳装置
（7）核桃锯口破壳装置
（8）冲压式破壳装置
（9）核桃破壳挖核装置
2。1。3壳仁分离装置
壳仁分离问题是核桃破壳取仁的难题之一。论文的代写目前国内尚未见到好的分离方法和分离设备的报道，而国外虽然很好地解决了壳仁分离的问题，但设备成本高，工艺复杂，对于加工能力有限的工厂和个人来说，是很难接受的。以下对现有设备和方法进行简单介绍。
2。1。3。1机械法分离壳和仁
目前利用机械法分离壳和仁的装置主要有以下三种：
（1） 绒辊分离壳仁
（2） 带式分离壳仁
（3） 轮齿拨壳分离壳仁
2。1。3。2磁选法分离壳和仁
（1）绒辊分离壳仁
（2）带式分离壳仁
（3）轮齿拨壳分离壳仁
2。1。3。3磁选法分离壳和仁
由上述可以看出：核桃剥壳技术随着需求的变化越来越多样化，剥壳技术也越来越多样化。但由于核桃的品种多样化及核桃外形的不规则，导致核桃的剥壳效率仍不能满足人们的需求。
2。2有限元分析
2。2。1有限元机理
有限元法也叫有限单元法（finite element method， FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。有限单元法（FEM）作为一种实用性很强的数值模拟方法，在许多工程分析中得到广泛应用，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等。这些问题的共同点是它们都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元（Element ）的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。
在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成（David Roylance 2019）：
1、预处理：用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域——或称为“单元”。各单元在一些称为“结点”的离散点上相互连接。这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。准备这样的模型可能极其耗费时间，所以商用程序之间的相互竞争就在于：如何用最友好的图形化界面的“预处理模块”，来帮助用户完成这项繁琐乏味的工作。有些预处理模块作为计算机化的画图和设计过程的组成部分，可在先前存在的CAD文件中覆盖网格，因而可以方便地完成有限元分析。
2、分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性或非线性代数方程表示的系统Kijuj=fi式中，u 和 f 分别为各结点的位移和作用的外力。矩阵 K 的形式取决于求解问题的类型，本模块将概述桁架与线弹性体应力分析的方法。商用程序可能带有非常大的单元库，不同类型的单元适用于范围广泛的各类问题。有限元法的主要优点之一就是：许多不同类型的问题都可用相同的程序来处理，区别仅在于从单元库中指定适合于不同问题的单元类型。
3、后处理：在有限元分析的早期，用户需仔细地研读程序运算后产生的大量数字，即列出的模型内各离散位置处的位移和应力。这种方法容易漏掉重要的趋向与热点，而最新的程序则利用图形显示来帮助用户直接观察运算结果。典型的后处理模块能显示遍布于模型上的彩色等应力线图，以表示不同的应力水平，显示的整个应力场的图像类似于光弹性法或云纹法的实验结果。
2。2。2 有限元的应用
目前，有限元方法在坚果力学分析领域中应用广泛，为坚果破壳设备的研制提供有效的理论依据。吴斌芳等（1996）应用薄壳理论和断裂理论对绵核桃进行力学分析，并通过试脸验证，得到了绵核桃机械剥壳取仁的重要参数。吴子岳（1995）将核桃壳简化成各项同乡性的均匀厚度的薄球壳，利用薄球壳理论进行应力和形变分析，得出两对法向集中力有利于核桃壳完全均匀破裂的结理论。王灵军等利用有限元方法分析了银杏在各种施力状态下的应力分布进行分析，找出了最佳的施力方向和施力方式，对脱壳设备的研制提供了理论的依据。挛玉振等（1994）通过对松籽壳体工程特性参数的测试和静力有限元计算拿得出有限元计算结果与试验测试结果数据相比误差约为16%。
（H。Chen，J。De Baerdemaeker）利用有限元法检测水果的坚度。把苹果和菠萝建立成为65节点48单元的模型，进而分析水果的坚度。把实验数据绘制成为以杨氏模量为纵坐标，水果坚度为横坐标的曲线图，并且与实验数据进行比较得出结论。谢丽娟等（2019）建立了莲子受静态正压力的有限元分析模型，设定了短轴方向加载集中力、加载均布的线载荷、加载一定区域内的面载荷3种受力工况，对莲子在该3种工况下的应力、应变情况进行分析计算。分析结果表明，最佳脱壳的施力方式是在莲子短轴方向加载沿长轴均布的线载荷，这时莲子的应力、应变分布有一定方向性，有利于裂纹扩展，使莲子有效脱壳，从而为脱壳设备的研制提供了参考依据。
针对山核桃果壳完全破裂所需的变形量大于壳仁间隙，用一般的机械挤压方法破壳会造成大量碎仁等问题。利用Pro/E软件建立了山核桃的几何模型。采用有限元分析方法构建了山核桃破壳受力模型，并对山核桃进行了受力机械剥壳取仁的重模拟与分析。根据不同受力方向和不同栽荷下山核桃的应力应变分布情况，确定山核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳施力方式，为山核桃破壳取仁设备的研制提供依据（丁正耀等2019年）。
曹玉华等（2019）应用有限元分析方法对蓖麻蒴果在压载作用下顶部和中部的应力分布进行分析，建立了蓖麻蒴果几何模型和有限元模型。研究结果表明：蓖麻蒴果果壳破裂的主要原因是由最大拉应力引起果壳破裂。顶部压载荷作用时，最大拉应力的位置在蒴果果柄顶部中缝处，拉应力引起中果皮内面产生裂纹；而中部压载荷作用时，最大拉应力的位置出现在蒴果中果皮中缝的两端，拉应力也引起中果皮四周角靠近直线处的内面产生裂纹。
由以上研究可以得出这样的结论：即使是很复杂的应力问题的数值解，现在用有限元分析的常规方法就能得到。相比较普通的处理方法，有限元法有着更加优越的效果。采用有限元方法建立模型，对研究对象进行应力的虚拟研究是可行的。并且能够通过对模型的研究得出相应的研究数据，从而为研究提供合理的数据来供参考。
3。总结（存在问题和发展趋势）
分析国内外的核桃剥壳技术，由于核桃的形状的不规则、尺寸差异较大。造成目前多采用的机械破壳装置的施力方式不合理，对于剥壳取仁存在许多的困难，容易造成破碎率，整仁率等不能满足人们的需求。对于现存的核桃剥壳机械，都存在一定的技术缺陷，并且核桃的不同品种同样存在不同的物理特性，这也给脱壳造成很多的困难。与普通的实验方法相比，采用有限元的方法能够更加快速、便捷地得出结论。所以在本课题中，采用有限元作为基础对核桃的最佳破壳位置进行分析计算，从而达到对核桃剥壳技术的研究。
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研究内容
（1）采用ANSYS软件建立核桃的几何模型和破壳的有限元模型，用结构静力分析的有限单元法，通过所建核桃的几何模型和破壳的有限元模型，对核桃在几种载荷作用下的应力分布规律进行分析。
（2）找出核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳的施力方式，为高效剥壳机的研制提供参考依据。
拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
1研究方法
（1）采用ANSYS软件建立核桃的几何模型和破壳的有限元模型，用结构静力分析的有限单元法，通过所建核桃的几何模型和破壳的有限元模型，对核桃在几种载荷作用下的应力分布规律进行分析。
（2）通过有限元分析找出了产生裂纹多且变形量较小的施力方式。
2 技术路线
2。1建立物理模型
建立几何模型时就把截面分为两部分，截面的建立是通过pro/e软件绘制的，然后导入到有限元受力分析软件ANSYS中，分两次旋转分别形成果仁和果壳。果仁单元类型采用固体结构单元中的八节点壳体单元，果仁采用二十节点的六面体单元。
2。2建立有限元模型
由于果实结构的对称性，进行受力分析时可采用l/2的对称模型。物理模型的果仁和果壳分别进行自由网格划分以后就成为有限元模型。
2。3核桃在不同载荷下有限元分析
在ANSYS分析中采用了统一的国际单位制，通过对核桃的1/2模型进行网格划分，分别设定六种边界条件和载荷类型，分析计算核桃在不同受力工况下应力、应变等的变化规律，在此基础上对两个加载方位的三种加载方式进行对比研究。
1） 核桃长轴方向施加集中载荷
2） 核桃长轴方向施加均匀线载荷
3） 核桃长轴方向施加均布面载荷
4） 核桃短轴方向施加集中载荷
5） 核桃短轴方向施加均匀线载荷
6） 核桃短轴方向施加均布面载荷
2。4分析总结
获取数据，通过分析各向变形云图、等效应力云图、等效应变云图，总结出核桃裂纹方式和部位。通过比较各中情况，得出能够取得最佳破壳率和整仁率的施力部位和方式。
3可行性分析
（1）在本科学习期间，已掌握材料力学、理论力学等的基础知识，经过查阅相关书籍与文献资料，熟悉了国内外的研究现状，这是进行本试验的前提。
（2）能够熟练使用计算机，可以运用ANSYS软件进行有限元分析。
（3）学校实验室能够提供实验所需的实验仪器，能够得到完整的数据。
（4）本课题是核桃剥壳机的一部分，参加的同学还有黄石磊、白亚鹏两位同学，他们的设计和实验帮助以及徐红梅老师的指导将提供很大的帮助。
研究计划及预期成果
研究计划
2019.12.24 下达学士学位论文（设计）任务书；
2019.12.25—2019.01.15 查阅文献资料，撰写外文翻译和开题报告书；
2019.01.16—2019.03.10 学习ANSYS软件；
2019.03.11—2019.05.20 建立核桃破壳的有限元模型，分析其力学特性，完成试验论文的撰写；
2019.05.21—2019.06.01 修改论文，做好答辩的准备工作。
预期成果
（1） 通过有限元分析得出相关的数据，来用于后续的处理
（2） 通过分析数据，代写的论文找出核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳的施力方式。