莲子的有限元分析

莲子的有限元分析

莲子脱壳技术研究丰富的蛋白质、氨基酸和各种矿物含有大量的精华，具有良好的补充和药用价值。现有的脱壳设备只是对某一成熟度范围内的莲子有比较好的脱壳效果,而对成熟度过高的莲子脱壳效果并不理想。然而干壳莲既利于贮藏,又便于开展常年性加工,还能缓解淡季市场莲子紧俏的矛盾。要最大限度地利用资源,提高经济效益,就需要研究新型的脱壳技术。近几年来,国内已有科研院所研制、开发出莲子脱壳加工设备。但一次性脱壳率偏低,碎仁率偏高,致使生产效率低,加工损失大。有的通过采取不同的脱壳方式从设备上改进脱壳效果,但往往是一次脱壳率提高的同时,碎仁率也增加。本文研究利于莲子的裂纹扩展、使莲子有效脱壳的最佳施力方式。应用有限元受力分析软件ANSYS对莲子在3种工况下的应力、应变情况进行分析计算,得出最佳脱壳的施力方式。1莲子壳与仁的结构和厚度莲子的几何形状较规则,外形接近于椭球体,与其他坚果类种子不同,其外壳是一个完整的结构,没有侧棱(如图1)。以测定的莲子物理统计参数作为建模依据(样品取自湖北洪湖地区),将莲子外形近似为一个椭球体,其主要几何尺寸见图2,外壳的厚度平均值为0.59mm。一般情况下,莲子在储存一段时间后,莲子壳与仁间的间隙变小,可以视为两者紧密地接触在一起。图3、4是建立的莲子壳与仁的三维实体模型(各取一半)。试验测定,莲子壳与仁属于两种不同的材质,因此它们的弹性模量必然不同,莲子壳的刚度比莲子仁要大很多倍。对于横压来说,不同方向莲子的极限强度相差不大,因此可以将莲子壳与仁的材质都假定为各向同性材料(isotropicmaterial),即材料单元的横向、纵向及切向弹性模量相等。根据试验测定,干白莲子壳的弹性模量约为24.44GPa,而莲子仁的弹性模量根据经验取为莲子壳的1/10。2莲子几何模型分析从分析对象的特点和计算精度要求出发,在莲子有限元分析过程中,选择计算精度较高的20节点六面体单元对莲子仁划分网格,选择能很好拟合壳体曲面形状的8节点壳体单元对莲子壳划分网格。在莲子受力分析中,不仅对莲子壳体在载荷作用下的应力与应变进行分析,而且要考虑莲子仁与壳之间的相互作用。为了模拟这种相互作用,在莲子几何模型的有限元模型化过程中引入了接触单元。对于莲子受力分析,莲子壳内表面与莲子仁外表面构成接触对,其中莲子壳的弹性模量较莲子仁大,其内表面作为目标面,而莲子仁外表面作为接触面。接触面网格单元有多种类型,包括一维、二维和三维单元。在莲子受力有限元分析中,由于采用三维实体建模,因此选择三维接触单元CONTA174和TARGE170,其中CONTA174是接触面的网格单元,而TARGE170是目标面的网格单元。在莲子受力分析中,当建立了接触对的有限元模型后,还要调整接触单元之间的初始间隙,以保证在初始分析时接触表面之间的穿透量,还要调整接触对的法向,以确保在分析过程中接触对能够接触。3莲子预处理后力学性能莲子脱壳试验结果表明,在莲子短轴方向加载容易实现有效脱壳,因此选择3种短轴方向受力工况作为莲子受力有限元分析的主要分析条件。3种工况分别是:①在莲子短轴方向加载集中力(图5a)。②在莲子短轴方向加载沿长轴均布的线载荷(图5b)。③在莲子短轴方向加载一定区域内的面载荷(图5c)。根据试验测得莲子壳破裂需要的平均破壳集中力为360N;若采用线载荷,加载区域范围是2mm,则均布力为180N/mm;若采用面载荷,加载区域面积是10.5mm2,则均布压强是34.3N/mm2。通过对上述3种不同加载方式下莲子的应力、应变情况的比较分析,可以寻找出莲子受力后的应力、应变分布规律,为莲子脱壳设备的研制提供参考依据。由于3种情况下载荷均加载在莲子的对称面内,为了简化计算量,利用ANSYS提供的对称约束边界条件(symmetricalcontraintB.C.),对莲子的1/2模型进行受力分析,这样处理获得的结果与分析整个莲子受力变形的结果是一致的。4莲子不同载荷作用下边界条件和载荷类型的对比在ANSYS分析中采用了统一的国际单位制,通过对莲子的1/2模型进行网格划分,分别设定3种边界条件和载荷类型,分析计算莲子在不同受力工况下应力、应变等的变化规律,在此基础上对3种加载方式进行对比研究。4.1莲子的z向变形有限元网格划分及边界载荷见图6a,集中力为360N。图6b是有限元分析后莲子的Z向等效应力分布,从图中可以发现在集中力载荷作用下,莲子的应力区较小,近似为以载荷点为圆心的圆形域,在集中力加载点的应力最大。图6c是莲子的Z向变形图,即沿载荷加载方向的莲子变形。在载荷加载点莲子变形最大,其变形区域也近似是以载荷加载点为圆形的圆域。而莲子的等效应变图与等效应力图很相似,如图6d。因此在集中载荷作用下,莲子的应力与应变分布没有明确的方向性,可以预测其破裂形式是以加载点为中心向四周扩散,这样只会导致莲子壳局部破裂,不利于脱壳。图7是沿莲子中心到载荷加载点的应力曲线,可以看出在集中力载荷作用下莲子仁部分的应力很小,从莲子仁与壳交界处应力开始急剧增大,在莲子壳表面的载荷加载点达到最大。4.2莲子受力后的变形有限元网格划分及边界载荷见图8a,分布力为180N/mm,经过分析处理获得图8b所示的莲子Z向等效应力图。由图中可以看到,在均布线载荷作用下,莲子应力分布区域近似为椭圆形,区域长轴方向与线载荷分布方向相同,在载荷加载处的应力最大,接近加载点的区域应力次之。图8c是莲子受力后整体沿Z向的变形图,即沿载荷加载方向的变形图。在载荷加载线上莲子变形最大,沿载荷线两侧向外变形逐渐减小。莲子等效应变图与等效应力图相对应,如图8d所示。在均布线载荷作用下,莲子的应力应变分布有一定方向性,即沿载荷加载线最大,由两侧向外逐渐减小。可以预测在此情况下,莲子的破裂形式应该是沿载荷加载线破裂,应该说此时莲子的脱壳效果较好。图9是沿莲子中心到莲子壳上载荷作用中心的应力曲线,与集中力载荷作用时的应力曲线相近,同样是在壳与仁交界处应力急剧增大,至莲子壳表面载荷点时达到最大。4.3莲子受面载荷后的z向变形破坏有限元网格划分及边界载荷见图10a,均布压强为34.3N/mm2。其等效应力分布如图10b所示,大应力的节点集中在载荷加载区域,同时在加载区域之外的大部分区域也存在小应力。图10c是莲子受面载荷后的Z向变形,变形区域形状与加载区域形状相似,比加载区大。莲子的等效应变区域较小,与等效应变图有区别,如图10d所示。可以预测在承受短轴方向均布面载荷时,莲子的破裂形式与集中载荷作用时相似,没有明确的方向性,但破裂的范围要比集中载荷作用时大。因此这种加载方式也不利于莲子脱壳加工。图11是沿莲子中心到载荷加载区域中心的应力曲线,其应力值比其他两种加载工况下小,但趋势是相似的,在莲子壳与仁交界处应力急剧增大,至莲子壳外侧载荷点处达到最大。5节点壳单元划分网格建立了莲子受静态正压力的有限元分析模型,选择计算精度较高的20节点六面体单元对莲子仁划分网格,选择能很好拟合壳体曲面形状的8节点壳体单元对莲子壳划分网格。在划分网格的基础上,在莲子壳与仁之