新疆梨果不同受载时接触应力分布的测量分析及其机械损伤的有限元模拟研究

本项目以新疆特色的库尔勒香梨和阿克苏苹果为研究对象，研究果肉的粘弹力学特性，确定果肉粘弹力学本构方程，了解果肉的受压失效机制；然后在此研究基础上，采用压力感应胶片对这两种果品不同受载时的接触应力分布特性展开深入研究，分析不同类型载荷、施载水平、梨果物性、接触材料特性等对梨果接触应力分布的影响，确定梨果机械损伤阈限，弄清梨果不同受载条件下接触应力分布与机械损伤的相互关系这一关键科学问题，揭示梨果的机械损伤规律；最后，应用有限元方法，有机结合压力感应胶片的实测结果，进行梨果接触应力分布及损伤的模拟研究，最终实现梨果机械损伤的科学评估及预测，为梨果机械化和自动化作业中的减损结构及工艺的优化提供必要的科学依据，这对解决新疆特色梨果的机械损伤问题、提高梨果商品化处理水平都具有重要意义。

本项目以库尔勒香梨和阿克苏红富士苹果为研究对象，分析了果肉组织失效机制及动态粘弹力学特性，并采用压力感应胶片测量分析了静压和跌落碰撞时的应力分布，应用酶促褐变和图像处理相结合技术精确测量了损伤面积，明确了应力面积和损伤面积间的关系，完成了Hertz公式修正，提高了应力面积计算精度，进而实现了梨果不同受载时损伤面积有限元模拟准确预测，为梨果作业机械和包装设计提供了理论基础和科学依据。本研究重要结果及关键数据如下：.⑴香梨和苹果果肉弹性模量分别为2.496 MPa和2.343 MPa、失效应力分别为0.296 MPa和0.238 MPa；果肉蠕变曲线可用六元件广义Kelvin-Voigt模型精确拟合；果肉储能模量G′远高于损耗模量G″，以弹性为主导；随着膨压上升或储藏温度下降，果肉因蠕变柔量减小和动态模量增大而趋于硬脆性。.⑵香梨和苹果不同受载时应力分布呈近椭圆形，损伤区域小于应力分布区域；动载时应力面积和损伤面积均比静载时高；应力均值受载荷水平影响小，与损伤面积无直接关系；不同范围接触应力呈正态分布，与钢板静压接触或碰撞时，＜0.10 MPa的低应力和≥0.50 MPa的高应力分布均很小，不构成果肉主要损伤；由于橡胶或瓦楞纸板的缓冲作用，0.10-0.20 MPa范围应力面积与≥0.40 MPa范围应力面积呈此消彼长趋势。.⑶≥0.10 MPa范围应力面积最接近香梨和苹果与钢板静压接触及碰撞时的损伤面积，≥0.15 MPa、≥0.25 MPa范围应力面积分别最接近香梨与橡胶+钢板、瓦楞纸板+钢板碰撞时的损伤面积；与香梨不同，苹果与橡胶+钢板、瓦楞纸板+钢板碰撞时，≥0.20 MPa、≥0.30 MPa范围应力面积分别更接近与各缓冲材料碰撞时的损伤面积。.⑷两种梨果在较大载荷作用时，应力面积Hertzl理论计算值与感压胶片测量值存在偏差，通过引入参数λ对Hertz公式的等效弹性模量E*修正，可提高两种梨果应力面积计算精度。.⑸当载荷较小时，损伤面积有限元模拟预测精度很高，基本接近实测值；当载荷过大时，两种梨果发生较大塑性变形，基于线弹性假设的有限元模拟预测精度逐渐下降。尽管如此，两种梨果与钢板静压接触和碰撞时，损伤面积有限元模拟预测精度高，其平均相对误差率最高为4.69%；与钢板+瓦楞纸板跌落碰撞时，有限元模拟预测精度较低，其平均相对误差率最高为13.85%。