獼猴桃力學(xué)特性試驗(yàn)與分析

田昆鵬， 張 彬， 李顯旺， 沈 成， 黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

獼猴桃果肉鮮嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富，是我國(guó)極具特色的水果之一[1]。由于獼猴桃質(zhì)地較柔軟，在采摘、包裝、運(yùn)輸?shù)戒N售等各個(gè)環(huán)節(jié)中很容易受到機(jī)械壓縮損傷，受損后的果體會(huì)迅速發(fā)生變質(zhì)、腐敗等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響果品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益[2-5]。研究獼猴桃的力學(xué)特性，有助于掌握獼猴桃的壓縮受損機(jī)制，并為獼猴桃生產(chǎn)裝備的研制提供參考。

對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)柑橘、梨、葡萄、番茄等常見果蔬力學(xué)特性的研究較多，對(duì)獼猴桃的研究也有一定涉及[6-14]。在國(guó)外，Talens等測(cè)定了獼猴桃在冷藏前后的物理及壓縮力學(xué)特性，確定了獼猴桃在凍融后保持最佳物理力學(xué)特性的貯存溫度和壓力[15]。Razavi等研究了海沃德品種獼猴桃的物理力學(xué)特性，測(cè)定了獼猴桃果實(shí)的外形尺寸、體積、密度、靜摩擦系數(shù)、堅(jiān)實(shí)度、黏附力等參數(shù)，為獼猴桃生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了力學(xué)參數(shù)[16]。在國(guó)內(nèi)，計(jì)宏偉等對(duì)獼猴桃整果進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，分析了獼猴桃在壓縮過(guò)程中的力學(xué)行為，給出了蠕變-時(shí)間曲線[17]。陳軍等測(cè)定了獼猴桃的抗擠壓特性和其他相關(guān)物理參數(shù)，為獼猴桃采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供了參考[18]。

歸納發(fā)現(xiàn)，以上研究都是針對(duì)獼猴桃整果力學(xué)特性的研究，由于單個(gè)獼猴桃整果主要由果皮、果肉等部分組成，各組分力學(xué)特性差異較大，對(duì)獼猴桃各組分進(jìn)行力學(xué)特性測(cè)定分析，掌握其力學(xué)特性，對(duì)了解獼猴桃受損機(jī)制，減少獼猴桃生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械損傷，建立獼猴桃動(dòng)力學(xué)模型、有限元數(shù)值模型以及研制獼猴桃生產(chǎn)裝備都具有重要意義。

1 獼猴桃力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用獼猴桃為我國(guó)獼猴桃主要品種之一的金艷獼猴桃。選取長(zhǎng)勢(shì)均勻、無(wú)損傷及病蟲害、處于成熟期的金艷獼猴桃鮮果作為試驗(yàn)樣本。由于金艷獼猴桃外形近似橢圓體，軸向直徑比徑向長(zhǎng)，通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)得，獼猴桃軸向和徑向直徑范圍分別為(72±5)、(50±3) mm。將獼猴桃分別沿軸向和徑向從中間切開，可以看到獼猴桃的中間部位為胎座，在胎座和果肉之間為種子室，種子室內(nèi)密布種子和包裹種子的黏液(圖1)。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

獼猴桃壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)所用儀器和工具主要包括WDW-10微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖2)、游標(biāo)卡尺、美工刀等，其中萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)精度等級(jí)為0.5級(jí)，試驗(yàn)力分辨力為 1/300 000 F.S(full scale，簡(jiǎn)稱滿量程)，力控速率調(diào)節(jié)范圍為0.005%～5%F.S/S(full scale per second)，位移速率調(diào)節(jié)范圍為0.005～500 mm/min。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 獼猴桃果皮拉伸試驗(yàn) 將獼猴桃果皮分別制作軸向和徑向拉伸試樣。制作軸向拉伸試樣時(shí)，首先用中性筆沿軸向方向在獼猴桃果皮上劃分出若干條均勻分布的經(jīng)線，相鄰經(jīng)線間距取15 mm左右，其后用美工刀沿經(jīng)線將獼猴桃切成尺寸相等的條塊，切條后再將果肉沿果皮削下(果肉備用)，將果皮制成寬為(10±1) mm、長(zhǎng)為(50±5) mm的30個(gè)試樣。

制作徑向拉伸試樣和制作軸向拉伸試驗(yàn)相似，首先用中性筆在獼猴桃徑向方向上畫出間距12 mm左右的緯線，沿緯線環(huán)切后將獼猴桃果肉沿果皮削下(果肉備用)，同樣將果皮制成寬為(10±1) mm、長(zhǎng)為(50±5) mm的30個(gè)試樣，經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量果皮厚度為0.4 mm左右。試驗(yàn)時(shí)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上下夾頭分別加持果皮試樣兩端(圖3)，設(shè)定加載速度為5 mm/min，取果皮在上下夾頭中間位置斷裂的為有效拉伸試樣，由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄下相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 獼猴桃果肉壓縮試驗(yàn) 將“1.3.1”節(jié)中制作獼猴桃果皮拉伸試樣削下來(lái)的果肉條塊分別沿經(jīng)向和軸向分段切割后，將果肉制成長(zhǎng)為(10±1) mm、寬為(7±1) mm、高為(10±1) mm 的軸向壓縮試樣和長(zhǎng)為(10±1) mm、寬為(10±1) mm、高為(7±1) mm的徑向壓縮試樣。試驗(yàn)時(shí)分別將2種試樣沿高度方向放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮下壓頭中心，通過(guò)位移調(diào)節(jié)按鈕微調(diào)上壓頭與試樣間距，并在上壓頭輕微碰觸到試樣上表面時(shí)將壓縮力和位移清零，此時(shí)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在壓縮方向的原始標(biāo)距即為試樣的高度。設(shè)定萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載速度為 5 mm/min，啟動(dòng)加載按鈕，當(dāng)果肉試樣受到壓縮破壞，應(yīng)力值減小到最小值并開始逐漸增加時(shí)停止加載，由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄下相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。獼猴桃果肉壓縮試驗(yàn)如圖4所示。

1.4 力學(xué)特性參數(shù)求解依據(jù)

對(duì)獼猴桃進(jìn)行果皮拉伸和果肉壓縮試驗(yàn)時(shí)，在果皮和果肉內(nèi)各部分之間會(huì)產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，果皮和果肉單位面積上所受的內(nèi)力稱為應(yīng)力，公式表示為：

(1)

式中：σ表示應(yīng)力，N/mm2；F表示拉力(壓力)，N；S表示拉(壓)方向上材料橫截面面積，mm2。

果皮和果肉在受到外力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，變形的程度稱應(yīng)變，公式表示為：

(2)

式中：ε表示拉(壓)應(yīng)變量，%；ΔL表示變形后長(zhǎng)度，mm；L表示變形前的原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。

材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系，其比例系數(shù)稱為彈性模量，公式表示為：

(3)

式中：E為材料彈性模量，N/mm2或MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 果皮拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

獼猴桃果皮拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由圖5可知，獼猴桃果皮受拉時(shí)，在軸向和徑向拉伸開始階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有一定的線性變化特征，沒(méi)有明顯的生物屈服點(diǎn)出現(xiàn)，此后隨著載荷和變形量的逐漸增加，達(dá)到果皮抗拉極限后，獼猴桃果皮被迅速拉斷，出現(xiàn)應(yīng)力突降現(xiàn)象。

由表1可知，獼猴桃果皮軸向拉伸彈性模量、抗拉強(qiáng)度平均值分別為14.46、1.40 MPa；獼猴桃果皮徑向拉伸彈性模量、抗拉強(qiáng)度平均值分別為14.32、1.15 MPa。

表1 獼猴桃果皮拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 果肉壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

獼猴桃果肉壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由圖6可知，在軸向和徑向壓縮開始階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都具有一定的線性變化特征，表明獼猴桃在承受微量壓縮時(shí)具有彈性應(yīng)變特性。隨著載荷的增加，壓縮應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到果肉抗壓強(qiáng)度時(shí)，果肉原有組織結(jié)構(gòu)受到破壞，果肉整體被壓碎。此后隨著應(yīng)變量的增大，應(yīng)力值不再增加反而逐漸減小，此現(xiàn)象表明果肉在壓縮階段后期具有壓縮屈服現(xiàn)象。

由表2可知，獼猴桃果肉軸向壓縮彈性模量、屈服強(qiáng)度平均值分別為4.46、0.75 MPa；獼猴桃果肉徑向壓縮彈性模量、屈服強(qiáng)度平均值分別為2.10、0.52 MPa。

3 結(jié)論與討論

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)金艷品種獼猴桃主要組分果皮和果肉的力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，并結(jié)合理論計(jì)算得出：金艷獼猴桃果皮軸向和徑向拉伸彈性模量和抗拉強(qiáng)度平均值分別為14.46、1.40 MPa和14.32、1.15 MPa。對(duì)比各力學(xué)特性參數(shù)可知， 獼猴桃果皮軸向和徑向拉伸力學(xué)特性參數(shù)差異較小，結(jié)合生物材料的力學(xué)本構(gòu)模型特性，可近似認(rèn)為獼猴桃果皮為各向同性材料的本構(gòu)特性。金艷獼猴桃果肉軸向和徑向壓縮彈性模量、屈服強(qiáng)度平均值分別為4.46、0.75 MPa和2.10、0.52 MPa。對(duì)比各力學(xué)特性參數(shù)可知，獼猴桃果肉軸向和徑向壓縮力學(xué)特性參數(shù)差異較大，結(jié)合生物材料的力學(xué)本構(gòu)模型特性，可以認(rèn)為獼猴桃果肉具有為正交各向異性材料的本構(gòu)特性。

表2 獼猴桃果肉壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：L為試驗(yàn)長(zhǎng)度；D為試樣寬度；H為試樣高度；Ec為壓縮彈性模量；Re為屈服強(qiáng)度。

本研究成果可為獼猴桃機(jī)械損傷分析、獼猴桃動(dòng)力學(xué)、有限元數(shù)值模型的建立及生產(chǎn)裝備的研制提供重要的參數(shù)依據(jù)。