蓮子的有限元分析

蓮子脫殼技術(shù)研究豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸和各種礦物含有大量的精華，具有良好的補充和藥用價值。現(xiàn)有的脫殼設(shè)備只是對某一成熟度范圍內(nèi)的蓮子有比較好的脫殼效果,而對成熟度過高的蓮子脫殼效果并不理想。然而干殼蓮既利于貯藏,又便于開展常年性加工,還能緩解淡季市場蓮子緊俏的矛盾。要最大限度地利用資源,提高經(jīng)濟效益,就需要研究新型的脫殼技術(shù)。近幾年來,國內(nèi)已有科研院所研制、開發(fā)出蓮子脫殼加工設(shè)備。但一次性脫殼率偏低,碎仁率偏高,致使生產(chǎn)效率低,加工損失大。有的通過采取不同的脫殼方式從設(shè)備上改進脫殼效果,但往往是一次脫殼率提高的同時,碎仁率也增加。本文研究利于蓮子的裂紋擴展、使蓮子有效脫殼的最佳施力方式。應(yīng)用有限元受力分析軟件ANSYS對蓮子在3種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進行分析計算,得出最佳脫殼的施力方式。1蓮子殼與仁的結(jié)構(gòu)和厚度蓮子的幾何形狀較規(guī)則,外形接近于橢球體,與其他堅果類種子不同,其外殼是一個完整的結(jié)構(gòu),沒有側(cè)棱(如圖1)。以測定的蓮子物理統(tǒng)計參數(shù)作為建模依據(jù)(樣品取自湖北洪湖地區(qū)),將蓮子外形近似為一個橢球體,其主要幾何尺寸見圖2,外殼的厚度平均值為0.59mm。一般情況下,蓮子在儲存一段時間后,蓮子殼與仁間的間隙變小,可以視為兩者緊密地接觸在一起。圖3、4是建立的蓮子殼與仁的三維實體模型(各取一半)。試驗測定,蓮子殼與仁屬于兩種不同的材質(zhì),因此它們的彈性模量必然不同,蓮子殼的剛度比蓮子仁要大很多倍。對于橫壓來說,不同方向蓮子的極限強度相差不大,因此可以將蓮子殼與仁的材質(zhì)都假定為各向同性材料(isotropicmaterial),即材料單元的橫向、縱向及切向彈性模量相等。根據(jù)試驗測定,干白蓮子殼的彈性模量約為24.44GPa,而蓮子仁的彈性模量根據(jù)經(jīng)驗取為蓮子殼的1/10。2蓮子幾何模型分析從分析對象的特點和計算精度要求出發(fā),在蓮子有限元分析過程中,選擇計算精度較高的20節(jié)點六面體單元對蓮子仁劃分網(wǎng)格,選擇能很好擬合殼體曲面形狀的8節(jié)點殼體單元對蓮子殼劃分網(wǎng)格。在蓮子受力分析中,不僅對蓮子殼體在載荷作用下的應(yīng)力與應(yīng)變進行分析,而且要考慮蓮子仁與殼之間的相互作用。為了模擬這種相互作用,在蓮子幾何模型的有限元模型化過程中引入了接觸單元。對于蓮子受力分析,蓮子殼內(nèi)表面與蓮子仁外表面構(gòu)成接觸對,其中蓮子殼的彈性模量較蓮子仁大,其內(nèi)表面作為目標(biāo)面,而蓮子仁外表面作為接觸面。接觸面網(wǎng)格單元有多種類型,包括一維、二維和三維單元。在蓮子受力有限元分析中,由于采用三維實體建模,因此選擇三維接觸單元CONTA174和TARGE170,其中CONTA174是接觸面的網(wǎng)格單元,而TARGE170是目標(biāo)面的網(wǎng)格單元。在蓮子受力分析中,當(dāng)建立了接觸對的有限元模型后,還要調(diào)整接觸單元之間的初始間隙,以保證在初始分析時接觸表面之間的穿透量,還要調(diào)整接觸對的法向,以確保在分析過程中接觸對能夠接觸。3蓮子預(yù)處理后力學(xué)性能蓮子脫殼試驗結(jié)果表明,在蓮子短軸方向加載容易實現(xiàn)有效脫殼,因此選擇3種短軸方向受力工況作為蓮子受力有限元分析的主要分析條件。3種工況分別是:①在蓮子短軸方向加載集中力(圖5a)。②在蓮子短軸方向加載沿長軸均布的線載荷(圖5b)。③在蓮子短軸方向加載一定區(qū)域內(nèi)的面載荷(圖5c)。根據(jù)試驗測得蓮子殼破裂需要的平均破殼集中力為360N;若采用線載荷,加載區(qū)域范圍是2mm,則均布力為180N/mm;若采用面載荷,加載區(qū)域面積是10.5mm2,則均布壓強是34.3N/mm2。通過對上述3種不同加載方式下蓮子的應(yīng)力、應(yīng)變情況的比較分析,可以尋找出蓮子受力后的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律,為蓮子脫殼設(shè)備的研制提供參考依據(jù)。由于3種情況下載荷均加載在蓮子的對稱面內(nèi),為了簡化計算量,利用ANSYS提供的對稱約束邊界條件(symmetricalcontraintB.C.),對蓮子的1/2模型進行受力分析,這樣處理獲得的結(jié)果與分析整個蓮子受力變形的結(jié)果是一致的。4蓮子不同載荷作用下邊界條件和載荷類型的對比在ANSYS分析中采用了統(tǒng)一的國際單位制,通過對蓮子的1/2模型進行網(wǎng)格劃分,分別設(shè)定3種邊界條件和載荷類型,分析計算蓮子在不同受力工況下應(yīng)力、應(yīng)變等的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上對3種加載方式進行對比研究。4.1蓮子的z向變形有限元網(wǎng)格劃分及邊界載荷見圖6a,集中力為360N。圖6b是有限元分析后蓮子的Z向等效應(yīng)力分布,從圖中可以發(fā)現(xiàn)在集中力載荷作用下,蓮子的應(yīng)力區(qū)較小,近似為以載荷點為圓心的圓形域,在集中力加載點的應(yīng)力最大。圖6c是蓮子的Z向變形圖,即沿載荷加載方向的蓮子變形。在載荷加載點蓮子變形最大,其變形區(qū)域也近似是以載荷加載點為圓形的圓域。而蓮子的等效應(yīng)變圖與等效應(yīng)力圖很相似,如圖6d。因此在集中載荷作用下,蓮子的應(yīng)力與應(yīng)變分布沒有明確的方向性,可以預(yù)測其破裂形式是以加載點為中心向四周擴散,這樣只會導(dǎo)致蓮子殼局部破裂,不利于脫殼。圖7是沿蓮子中心到載荷加載點的應(yīng)力曲線,可以看出在集中力載荷作用下蓮子仁部分的應(yīng)力很小,從蓮子仁與殼交界處應(yīng)力開始急劇增大,在蓮子殼表面的載荷加載點達到最大。4.2蓮子受力后的變形有限元網(wǎng)格劃分及邊界載荷見圖8a,分布力為180N/mm,經(jīng)過分析處理獲得圖8b所示的蓮子Z向等效應(yīng)力圖。由圖中可以看到,在均布線載荷作用下,蓮子應(yīng)力分布區(qū)域近似為橢圓形,區(qū)域長軸方向與線載荷分布方向相同,在載荷加載處的應(yīng)力最大,接近加載點的區(qū)域應(yīng)力次之。圖8c是蓮子受力后整體沿Z向的變形圖,即沿載荷加載方向的變形圖。在載荷加載線上蓮子變形最大,沿載荷線兩側(cè)向外變形逐漸減小。蓮子等效應(yīng)變圖與等效應(yīng)力圖相對應(yīng),如圖8d所示。在均布線載荷作用下,蓮子的應(yīng)力應(yīng)變分布有一定方向性,即沿載荷加載線最大,由兩側(cè)向外逐漸減小。可以預(yù)測在此情況下,蓮子的破裂形式應(yīng)該是沿載荷加載線破裂,應(yīng)該說此時蓮子的脫殼效果較好。圖9是沿蓮子中心到蓮子殼上載荷作用中心的應(yīng)力曲線,與集中力載荷作用時的應(yīng)力曲線相近,同樣是在殼與仁交界處應(yīng)力急劇增大,至蓮子殼表面載荷點時達到最大。4.3蓮子受面載荷后的z向變形破壞有限元網(wǎng)格劃分及邊界載荷見圖10a,均布壓強為34.3N/mm2。其等效應(yīng)力分布如圖10b所示,大應(yīng)力的節(jié)點集中在載荷加載區(qū)域,同時在加載區(qū)域之外的大部分區(qū)域也存在小應(yīng)力。圖10c是蓮子受面載荷后的Z向變形,變形區(qū)域形狀與加載區(qū)域形狀相似,比加載區(qū)大。蓮子的等效應(yīng)變區(qū)域較小,與等效應(yīng)變圖有區(qū)別,如圖10d所示?？梢灶A(yù)測在承受短軸方向均布面載荷時,蓮子的破裂形式與集中載荷作用時相似,沒有明確的方向性,但破裂的范圍要比集中載荷作用時大。因此這種加載方式也不利于蓮子脫殼加工。圖11是沿蓮子中心到載荷加載區(qū)域中心的應(yīng)力曲線,其應(yīng)力值比其他兩種加載工況下小,但趨勢是相似的,在蓮子殼與仁交界處應(yīng)力急劇增大,至蓮子殼外側(cè)載荷點處達到最大。5節(jié)點殼單元劃分網(wǎng)格建立了蓮子受靜態(tài)正壓力的有限元分析模型,選擇計算精度較高的20節(jié)點六面體單元對蓮子仁劃分網(wǎng)格,選擇能很好擬合殼體曲面形狀的8節(jié)點殼體單元對蓮子殼劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上,在蓮子殼與仁之