香梨储运受压时的接触应力分析及损伤预测

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本文以新疆特色水果库尔勒香梨为研究对象,首先利用平板压缩模仿香梨在储运过程中的受压情况,利用压力感应胶片测量不同曲率半径的香梨受不同载荷时接触应力分布。然后利用Hertz接触理论计算香梨接触过程中的接触面积。最后利用有限元模拟和试验相结合方法,对香梨接触应力分布特性进行研究,确定了香梨静载压缩时接触应力分布与机械损伤的关系,揭示香梨储运受压损伤的规律,为香梨储运和包装提供基础数据和科学依据。研究中主要得到以下结论:  (1)利用压力感应胶片测量获得了香梨在不同压力和不同接触曲率半径下的接触应力分布特性。结果表明接触位置曲率半径较小时,轮廓近圆形;较大时,轮廓呈椭圆形。不同压力时的接触应力分布呈正态分布,应力峰值范围始终保持为0.5-0.6MPa。接触位置曲率半径为25mm时,0.3-0.4MPa范围应力分布面积最大;接触位置曲率半径为35mm和45mm时,0.2-0.3MPa范围应力分布面积最大。当压力为50N时,应力面积随曲率半径的增大呈增大趋势;但压力增大时,应力面积随接触位置曲率半径增大开始出现减小趋势,至200N时,应力面积随着接触位置曲率半径增大出现显著减小。接触应力均值随载荷的增大或曲率半径的减小而逐渐增大。总应力面积要高于香梨实际损伤面积;当采用≥0.2MPa应力面积估测香梨损伤面积时,比总应力面积估测的误差率明显减小,平均误差率低于7%;香梨损伤面积是≥0.2MPa应力面积的0.93倍,因此采用≥0.2MPa应力面积完全适于香梨损伤面积的预测。此外,基于压力F和香梨的损伤面积A建立的回归模型A=2.79F-95.37(R2=0.86)也可实现香梨损伤面积的准确预测和评估。  (2)利用Hertz公式计算香梨与刚性平板的接触应力及其面积,计算结果表明:当载荷<50N时,应力面积的感压胶片测量值和Hertz公式曲线基本重合,说明香梨在较小的载荷下作用下,其果肉组织仅发生弹性变形,可用Hertz公式来计算应力面积;当载荷<200N且曲率半径>45mm,应力面积的Hertz计算值接近感压胶片测量值,应力面积也可采用Hertz公式计算;而当载荷>50N,曲率半径<45mm时,香梨组织进入塑性变形,Hertz公式曲线逐渐偏离感压胶片测量值,不能采用Hertz公式计算。  (3)采集香梨图像,基于数字图像处理方法提取香梨的轮廓,建立了香梨的三维实体模型。并将香梨简化为线弹性和各向同性材料,材料弹性模量取香梨果肉的弹性模量(2.496MPa),利用有限元模拟香梨平板压缩。模拟结果表明,有限元模拟的表面等效应力在接触中心处最大,且随着载荷的增大而增大,在200N时表面最大等效应力可达0.409MPa。在压力为50N时,预测损伤面积误差率为6.2%;随着载荷逐渐增大,损伤面积预测误差逐渐增大,至200N时损伤面积预测的误差可达13.0%。
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