低损伤目标下热固耦合含隔坚果类破壳机理及机构优化研究

Parameters of the nut's mechanical characteristics play key role in design of shell-breaking mechanic, but at present there is no scientific and accurate determination method.The main reason is lack of in-depth systematic study on shell-breaking mechanism.To the research of the including interlayer nut, domestic and overseas scholars pay more attentions to how to reduce energy consumption for shell-breaking, but ignore keeping integrity of kernel when we break shell.Research on mechanism of enhancing shell-breaking ratio and reducing kernel-breaking ratio is significant theoretical foundation for optimization design of shell-breaking machine.Establishing the finite element model with Embedded parameters analyzes regularities of distribution of different loading force and discusses relationship between position for application of force and shell-breaking ratio and kernel-breaking ratio. Through building mechanical testing platform of the nut, it can accurately determine force, energy, power, generating process of crack in shell-breaking Based on Thermo-mechanical coupling, ascertain influence regular of temperature and moisture content for breaking force and deformation of nuts, mainly uncover mechanism of high shell-breaking ratio and low kernel-breaking ratio.Modeling based on Thermo-mechanical coupling theory and Discrete Element Method can make parameters' optimization design to guide mechanism of nut and shell-breaking mechanism combining ADAMS soft to carry out dynamics simulation for shell-breaking machine, which explores and develops the shell-breaking machine of the nut, and its shell-breaking ratio under 98 percent and kernel-breaking under 2 percent.

坚果的机械力学特性参数对破壳机械的设计起着关键作用，但目前尚无科学、准确的测定方法，其原因是缺乏对破壳机理的深入系统的研究。对含隔坚果类破壳的研究，国内外学者更多的是关注如何降低能量消耗使其破壳，而忽视在破壳的同时使果仁保持完整。而提高破壳率、降低果仁破碎率机理的研究，是破壳机械优化设计最重要的理论依据。本项目以山核桃为对象，采用内嵌参数方法建立有限元模型，分析不同载荷力分布规律，探讨施力部位与破壳率、果仁破碎率的相关性；通过构建坚果类力学测试平台，科学地测定破壳力、破壳所需能量、功率以及热-固耦合下破壳裂纹产生过程，探明温度和含水率对坚果的破裂力、变形量及破裂能量的影响规律，重点揭示高破壳率、低果仁损伤率的机理。基于热-固耦合理论和离散元法建模，对坚果导向机构和破壳机构进行参数优化研究，利用ADAMS软件进行破壳机械动力学仿真，探索研制出破壳率>98％、果仁损伤率<2%的核桃破壳机。

对含隔坚果类破壳的研究，过多关注如何使其破碎，忽视在破壳的同时使其果仁保持完整，破壳时果仁破碎带来壳仁难以分离、经济价值大幅度降低，直接影响农民的收入。本研究是探究含隔坚果类果实的高破壳率、低果仁损伤率破壳机理，解决果仁破碎率高的问题。项目实施中，主要研究内容为坚果物理特性与力学特性研究、坚果破壳力学参数实验测试装置研究、冲击力多点加载破壳的实验研究、山核桃破壳机构的优化设计研究等。采用内嵌参数方法建立有限元模型，分析不同载荷力分布规律，探讨施力部位与破壳率、果仁破碎率的相关性。研制的坚果破壳力学参数实验测试装置，可以测试坚果破壳的破壳力、破壳能量、破壳功率以及破壳过程中的瞬时冲击力、瞬时速度、瞬时位移等物理参数。该装置对坚果类破壳取仁机械的研制具有重要的理论指导意义。山核桃受力破壳后加热，通过热-固耦合探究不同含水率下破壳裂纹产生过程。通过冲击力多点加载破壳的实验研究，基本探究清楚了低果仁损伤率得力加载方向、加载方式。即击打式破壳方式中，锤头与山核桃的接触形式对山核桃破壳效果有直接影响。设计击打式破壳方式中的锤头结构，对提高山核桃破壳率，降低果仁损伤率，削弱加载方向对破壳效果的影响有着十分重要的作用。根据山核桃的物料特性以及破壳时所需的各项力学参数，在确定敲击臂的结构尺寸基础上，优化凸轮结构，研制出山核桃破壳机的样机, 该样机在山核桃的含水率为 14.55%～16.35%，大小为直径 18～22 mm（沿缝合线方向）时，破壳率为 99.41%，果仁损伤率为 6.25%，生产率为 94.93 kg/h，满足生产要求，且该机已用于生产。坚果物理特性与力学特性研究、冲击力多点加载破壳的实验研究所得到的实验数据，可为同类研究，提供参考依据。山核桃破壳机构的优化与破壳机的设计方法，为同类设计提供参考。研究过程中，发表论文17篇，其中SCI一篇，EI三篇，中文核心13篇；申请发明专利8项，其中授权发明专利5项；培养研究生6名。