基于ansys的銀杏施力方式的研究

1脫殼技術的研究銀杏是銀杏的一種。它在南方和北方都有村落。主要產于北方。其果仁有很高的藥用價值,可以提煉出治療心血管病等的良藥。果仁也可適量食用,有助于養生延年。在藥用和食用之前,必須破除其外殼。由于銀杏果殼堅硬并緊貼柔嫩的果仁,故至今尚無專用的脫殼設備,依靠手工脫殼,費時費力,同時對果實的保鮮帶來很大困難。研究銀杏的機械脫殼是生產實際的需要。堅果脫殼方法有化學、物理等多種。化學脫殼方法主要是將果實浸入脫殼溶液中,軟化外殼并溶去一部分,然后再利用機械脫去已軟化的外殼。物理脫殼方法主要有高真空度脫殼、高壓脫殼和速凍脫殼等。高真空度和高壓方法脫殼主要是利用果殼內外的壓力差來脫殼,但是這兩種方法都要求脫殼過程在瞬間全部完成,否則由于內外壓力差很快達到平衡而喪失脫殼作用力,而實際上果實各處的強度是有差別的,所以總的來說脫殼效果不好。目前最常用的脫殼方式是機械方法,使外殼在機械作用力下開裂或是破壞,利用滾、搓、碾等動作脫去果實的外殼。研制銀杏脫殼設備首先要解決最佳施力的方向和施力的方式。本文應用商用有限元受力分析軟件ANSYS對在各種施力狀態下銀杏的應力分布進行了分析,并得出了最佳施力方式,為設備研制提供了理論基礎。2銀杏銀杏銀杏幾何形狀較規則,外殼接近于2次曲面,帶有側棱,如圖1。圖2是其幾何尺寸的統計值。樣本(100顆)為市售銀杏。形狀有共同特征但尺度(粒度)較分散。外殼厚度為0.5mm左右。另從圖1b銀杏的截面可見,其側棱處結構不是圓滑的過渡,存在應力集中。對于新鮮果實來說,果仁與果殼之間幾乎無間隙,脫殼很難。儲存一段時間后,果殼和果仁之間出現一定的間隙(約0.5mm左右)。這時,脫殼相對容易。3蘋果的有限元分析1)單元類型:整個果實分為果殼和果仁,果殼采用8結點殼體單元,殼體厚度為0.5mm;8結點殼體單元是二次單元,可用較少的單元數來取得較為精確的結果,同時二次單元可更好地擬合果殼模型,并避免形狀檢查失敗。果仁采用8結點磚形單元,該單元可以退化為6結點。對果殼和果仁兩種不同的材質,采用不同的彈性模量,果殼的剛度相對于果仁要大很多倍。類比木質,將果殼的彈性模量取為10MPa,果仁的彈性模量取果殼的1/10。對于橫壓來說,不同方向果殼的極限強度相差不大。同時引入接觸單元,覆蓋在已劃分網格的相互接觸面上。在ANSYS有限元分析軟件中,較為柔軟的果仁采用CONTA174單元類型來劃分,而外殼則采用TARGE170單元類型來劃分,CONTA174和TARGE170共同構成接觸單元,接觸單元可以用來計算果殼與果實之間的相互作用和滲透量(相互接觸作用力下引起的實體變形),計入果仁與果殼的相互擠壓力而不是單純的只分析果殼在外力作用下的應力與變形。接觸單元是面單元,它們是覆蓋在已劃分好的實體單元相互接觸部分的表面,由于果實結構的對稱性,采用1/2的對稱模型來進行分析。2)在對稱面上加上對稱的邊界約束,同時限制果殼對稱面上的法向位移。3)脫殼力采用分布力或是集中力。加載力的大小是由實驗得出的,集中力為200N。在這樣的加載力作用下,果殼剛好出現裂紋,而分布力的范圍是2mm。分布力為100N/mm,這與實際加載情況吻合,即加載的力有一定的作用面積。在此基礎上,進行了3種加載方式的對比分析。一般脫殼是在儲存了短時間以后,其果仁和果殼間接觸緊密,果殼表現為脆性材料,果殼可能的破壞方式表現為脆性破壞。故破壞準則采用最大拉應力理論(第一強度理論)。4最佳施力方向和方式在脫殼外力的作用下,用有限元方法對鮮銀杏進行脫殼受力分析并找出最佳施力方向和方式,3種施力模型見圖3。圖3中a、b是在不同部位施加集中力所導致的應力與變形的分析;圖中b、c是對最佳施力位置的不同施力方式的應力與變形的對比分析。12不同安裝層的平均聚集力分析(1)u3000側棱上y向成應力橢圓的東北部其有限元網格劃分見圖4a,集中力為200N。果殼進行有限元分析后,其等效應力分布見圖4b。從圖4b可以看出,在集中力加載處應力最大,接近集中力加載處的區域的應力次之,如果把有較大應力區域看成一個橢圓的話,側棱上Y向就成了應力橢圓的長軸。果殼在集中力加載方向上(此時為負X軸向)的位移,見圖4c。由圖可以看到,在集中力加載處的X向的位移為最大(在這里,位移方向為負X方向,圖上中央的黑色——在彩圖中表現為藍色表示按算術值反映的位移的最小,所以其絕對值為最大),整個負X方向的位移區域可以看成一個狹長的橢圓區域,側棱Y向成了此種位移橢圓的長軸。果殼的總應變見圖3d。由該圖可見,在集中力分布處沿側棱Y向區域的總應變為最大。(2)集中力對果汁受力的影響網格劃分見圖5a,集中力為200N。果殼進行有限元分析后,其等效應力分布見圖5b。從圖中可見,在集中力分布處的等效應力為最大,應力最大的區域構成一個棱形,相對來說,有較大的區域處在高應力區域。果殼在集中力加載方向上(此時為負Z軸向)的位移,見圖5c。在集中力加載處位移最大,有較大的一個區域處在大的位移區域。這種情況下果殼的總等效應變見圖5d。在集中力加載處應變最大,而且也是有一個較大的區域處在高應變區。(3)區域方向運動特征綜合上述等效應力、位移和等效應變圖的分析結果可知,圖3a加載方式所產生的果殼可能破壞區域比較小,同時有明確的方向性,即沿側棱Y向產生裂紋的機會最大。而圖3b加載方式則反之,其有大面積的區域處于高應力和應變區,沒有明確的走向,因此裂紋產生及走向會有很大的隨機性。所以,脫殼力的最佳施力方向是圖3a中的施力方向。22不同最佳施力位置的比較分析(1)分布力對殼內位移的影響有限元網格劃分見圖6a,分布力為100N/mm。果殼進行有限元分析后,其等效應力分布見圖6b。從圖6b可以看出,在這種加載方式下,果殼最大應力的走向很規則并沿著棱邊,在其兩側還有兩個高應力區域。對應果殼在分布力加載方向上的位移見圖6c。在該圖中可以看到,最大位移出現在棱邊的兩側,這是由于考慮了大變形,并認為果殼的變形是彈性變形。在分布力的作用下,棱邊帶動臨近區域向下變形,在變形到一定階段時,果殼由于受到果仁的障礙,果仁的強度比果殼要低得多,并且棱邊的繼續往下運動會引起在其下方的部分果仁往兩邊避讓,引起棱邊臨近區域果殼因避讓果仁而向上運動。這是一種理想彈性的狀況。實際情況并非完全這樣,而是當最大應力達到一定值時,果殼就會破裂。果殼的等效應變見圖6d。從該圖中,可以看到,等效應變與等效應力相對應。從銀杏外形的幾何圖形還可以知道,在棱邊處,因果殼結構不是圓滑過渡從而會引起應力集中,這與有限元分析圖6b中的結果是一致的。(2)應力與應變的分布綜合來看,在最佳施力方向上,分布力比集中力具有更好的應力分布。分布力加載比集中力加載具有更明確的應力與應變分布的方向性,沿棱邊長軸最有可能出現裂紋。而集中力則會在施力處造成很大應力并在很小的