馬鈴薯跌落碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力分布特性

陳志惠，段宏兵,，蔡興奎，王軍權(quán)，徐 濤，余參參，姚飛虎，嚴(yán)福勇

(1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯70%的塊莖損傷出現(xiàn)在收獲環(huán)節(jié)[1]，機(jī)械損傷嚴(yán)重影響了馬鈴薯的品質(zhì)、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[2-5]。隨著馬鈴薯收獲機(jī)械化、加工自動(dòng)化的快速發(fā)展，馬鈴薯由碰撞導(dǎo)致的損傷問題亟待解決。有研究根據(jù)馬鈴薯果肉的變色來度量其損傷程度，提出了損傷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。吳永根等[9]將經(jīng)沖擊的果實(shí)在自然環(huán)境中放置24 h，損傷的果肉會(huì)呈現(xiàn)褐色，從而獲得損傷體積、損傷深度等試驗(yàn)指標(biāo)。桑永英等[10]根據(jù)淀粉遇碘變色原理，對(duì)碰撞后的果實(shí)涂抹碘，根據(jù)顏色深淺劃分損傷程度?？淡Z等[11]提出通過多因素試驗(yàn)研究馬鈴薯機(jī)械損傷的建議，如從挖掘深度、下落高度等角度分析馬鈴薯的機(jī)械損傷，從應(yīng)力應(yīng)變及其臨界極限值方面研究馬鈴薯的機(jī)械損傷等。王詠梅等[12]研究了馬鈴薯收獲中的機(jī)械損傷，分析了機(jī)械損傷產(chǎn)生的過程和機(jī)理，建議對(duì)馬鈴薯動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。李輝等[13]通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外的馬鈴薯機(jī)械損傷研究，鼓勵(lì)多從實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。魏忠彩等[14]系統(tǒng)研究了收獲、清選和分級(jí)對(duì)馬鈴薯機(jī)械損傷的影響。馮斌等[15]通過試驗(yàn)及參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得馬鈴薯塊莖碰撞恢復(fù)系數(shù)，并分析跌落高度、碰撞材料等跌落過程的參數(shù)與塊莖碰撞恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系。呂金慶等[16]研究了跌落高度、升運(yùn)鏈傾角和線速度對(duì)馬鈴薯?yè)p傷綜合指數(shù)和傷薯率的影響。Ito等[17]研究了跌落高度和碰撞材料對(duì)馬鈴薯表面損傷的影響。Dwelle等[18]研究了溫度、放置時(shí)間、氣體壓力對(duì)馬鈴薯內(nèi)部黑斑瘀傷形成的影響。Thomson等[19]研究探討了馬鈴薯塊莖的特性及影響馬鈴薯表面損傷的處理技術(shù)。Nikara等[20]采用掃描電鏡 (Scanning electron microscope, SEM)分析了馬鈴薯碰撞后組織的微觀力學(xué)變化。盧立新等[21]通過沖擊力傳感器研究蘋果跌落的沖擊力學(xué)特性，獲得加速度與時(shí)間、沖擊力與變形量、應(yīng)力與應(yīng)變以及跌落沖擊彈性恢復(fù)系數(shù)等動(dòng)態(tài)關(guān)系。李曉娟等[22]通過懸擺式碰撞試驗(yàn)，采用加速度傳感器，得到蘋果碰撞過程的加速度?時(shí)間曲線及數(shù)學(xué)表達(dá)式。Brusewitz等[23]使用力學(xué)傳感器研究蘋果的跌落，同時(shí)測(cè)得最大撞擊力、撞擊持續(xù)時(shí)間、到達(dá)最大撞擊力所需要的時(shí)間、沖量等沖擊特性的參數(shù)。劉治震[24]通過沖擊力傳感器對(duì)馬鈴薯進(jìn)行跌落碰撞試驗(yàn)，得到馬鈴薯的臨界損傷高度。盧琦[25]通過平膜盒測(cè)力傳感器獲得馬鈴薯的瞬時(shí)沖擊力和沖擊應(yīng)力；通過與馬鈴薯的堅(jiān)實(shí)度比較，得到馬鈴薯的損傷情況。胡奔[26]通過力學(xué)傳感器獲得馬鈴薯跌落碰撞的沖擊力，經(jīng)過轉(zhuǎn)換研究得到馬鈴薯?yè)p傷的極限沖擊應(yīng)力。馮斌等[27]通過壓力傳感器測(cè)量馬鈴薯的沖擊特性參數(shù)與損傷綜合指數(shù)的關(guān)系。但是傳統(tǒng)的測(cè)量方法不精確，普通的力學(xué)傳感器只能測(cè)定馬鈴薯與其他材料發(fā)生碰撞時(shí)沖擊力的大小，無(wú)法測(cè)定碰撞時(shí)的應(yīng)力分布情況。對(duì)馬鈴薯與各作業(yè)部件的接觸力學(xué)分布特性進(jìn)行研究，可為馬鈴薯的機(jī)械化收割和自動(dòng)化減損提供參考，具有重要的意義。

有學(xué)者用超聲波技術(shù)[28]或TekScan5051柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感器[29]測(cè)量了蘋果準(zhǔn)靜態(tài)下的壓縮接觸應(yīng)力分布。美國(guó)和日本通過微膠囊顆粒緩釋控制技術(shù)研制出了壓力感應(yīng)膠片，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)載下接觸應(yīng)力的精確測(cè)量，并成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[30-31]。采用感壓膠片對(duì)蘋果擠壓和碰撞的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，并獲得損傷面積和體積[32-33]。采用感壓膠片對(duì)香梨跌落碰撞的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行研究，確定接觸應(yīng)力分布和香梨果實(shí)損傷間的關(guān)系[34-35]。

本文采用Prescale感壓膠片及配套的壓力圖像數(shù)字解析系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯跌落碰撞的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行研究，精確測(cè)量馬鈴薯在動(dòng)載下的接觸應(yīng)力分布特性，研究馬鈴薯在動(dòng)載下的力學(xué)特性和損傷規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其機(jī)械損傷的可靠性評(píng)估和預(yù)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料

馬鈴薯試樣為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室試驗(yàn)田培育的‘中薯5號(hào)’，早熟品種，從出苗到收獲約 60～80 d，株高約 50 cm，休眠期短。‘中薯5號(hào)’具有較好的增產(chǎn)性，薯塊大而整齊、表面光滑、芽眼極淺、綜合性狀好，結(jié)薯集中，商品薯率高[36-37]。

收獲期為2019年6月，在確保馬鈴薯無(wú)蟲害、無(wú)損傷后迅速冷藏。馬鈴薯的含水率(w)為77.36%，貯藏溫度為?5～5 ℃，相對(duì)濕度為80%～90%。

試驗(yàn)材料為土塊、橡膠、塑料和鋼板。土塊采集自馬鈴薯收獲時(shí)的試驗(yàn)田，含水率(w)為22.58%；橡膠為工業(yè)橡膠中的丁晴橡膠；塑料的材料是ABS。鋼板采用65Mn鋼，為我國(guó)薯類收獲機(jī)上升運(yùn)鏈建議采用的材料[38]。

高速攝像機(jī)（Pco.dimaxHD）為德國(guó)PCO公司生產(chǎn)。高速攝像機(jī)放置在距離試驗(yàn)臺(tái)架水平2 m處，記錄馬鈴薯跌落碰撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，選定的拍攝幀率為 2 000 幀/s，曝光時(shí)間為 942 ns，像素分辨率為 1 920 ×1 080 。

Fuji公司研發(fā)的感壓膠片(Prescale?雙層特超低壓LLLW型)測(cè)量范圍為0.2～0.6 MPa，測(cè)試精度≤±1 0%，配套的壓力圖像數(shù)字解析系統(tǒng)V2.0(FPD-8010E 型)。

EPSON平板掃描儀(V370)為愛普生公司生產(chǎn)。

馬鈴薯跌落碰撞測(cè)試系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 馬鈴薯跌落碰撞測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of potato drop crash test system and physical picture

1.2 方法

1.2.1 馬鈴薯跌落試驗(yàn) 馬鈴薯試樣通過調(diào)節(jié)閥固定在跌落孔中，松開調(diào)節(jié)閥，馬鈴薯試樣自由下落，保證其長(zhǎng)軸扁平部位與不同的材料碰撞。反彈后在再次落地前接住馬鈴薯試樣，保證馬鈴薯試樣經(jīng)過反彈達(dá)最大高度，也避免二次碰撞。高速攝影機(jī)記錄全過程。

1.2.2 接觸應(yīng)力分布的測(cè)定 將感壓膠片放置在碰撞接觸材料表面，使感壓膠片能夠獲取完整的碰撞接觸部位。碰撞后的感壓膠片，通過掃描儀進(jìn)行平滑處理，獲得接觸應(yīng)力分布的特征圖，然后經(jīng)相配套的壓力圖像數(shù)字解析系統(tǒng)V2.0讀取特征圖并進(jìn)行數(shù)值解析，最后獲得接觸面積、碰撞沖擊力、接觸應(yīng)力及其分布等參數(shù)。

1.2.3 馬鈴薯沖擊壓縮變形量的測(cè)定 通過馬鈴薯的沖擊壓縮變形量來衡量馬鈴薯的損傷。馬鈴薯的沖擊壓縮變形量越大，損傷越大。

沖擊壓縮變形量(D)表征馬鈴薯跌落碰撞時(shí)彈性形變的最大值，定義公式如下：

式中， ?s是指形變量，馬鈴薯從碰撞開始到壓縮到最大值（下一秒會(huì)發(fā)生反彈）(圖2)；d是與接觸材料發(fā)生碰撞時(shí)，馬鈴薯豎直方向的直徑。

圖2 馬鈴薯跌落過程Fig.2 Potato falling process

1.3 馬鈴薯試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過Design-expert設(shè)計(jì)了3因素3水平的組合正交試驗(yàn)方案，研究因素及組合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的編碼值和實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

跌落高度是根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩與地面的高度進(jìn)行篩選的。碰撞材料是根據(jù)馬鈴薯收獲時(shí)可能發(fā)生碰撞的材料選取的。馬鈴薯質(zhì)量是將收獲后的馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)所得。最后通過分析較顯著的因素，補(bǔ)充詳細(xì)完整的因素水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析及響應(yīng)曲面分析

組合正交試驗(yàn)的方差分析見表2。跌落高度和碰撞材料的P<0.000 1，對(duì)沖擊壓縮變形量的影響極顯著；馬鈴薯質(zhì)量的P= 0.026 5<0.05，對(duì)沖擊壓縮變形量的影響是顯著的。而兩兩因素間的交互作用影響不顯著，因素的二次方影響也不顯著。通過方差分析獲得沖擊壓縮變形量(D)與3個(gè)因素的二次回歸模型。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of factor and level

失擬P=0.747 5>0.05，影響不顯著，說明方差分析模型是可信的。

對(duì)跌落高度、碰撞材料和馬鈴薯質(zhì)量的響應(yīng)曲面分析如圖3所示，二維的投影曲線反映因素間的關(guān)系，曲線在不同坐標(biāo)軸具有不同疏密程度，疏密程度反映因素對(duì)沖擊壓縮變形量的不同貢獻(xiàn)程度，曲線越密集說明對(duì)沖擊壓縮變形量的貢獻(xiàn)越大。

表2 沖擊壓縮變形量方差分析Table 2 Variance analysis of impact compression deformation amount

由圖3a、3c可看出，隨著跌落高度增加，曲線斜率均較陡峭，說明跌落高度對(duì)沖擊壓縮變形量的影響較顯著，沖擊壓縮變形量隨著跌落高度的增加而增大。由二維的投影可知，跌落高度的曲線密集程度比馬鈴薯質(zhì)量的高，比碰撞材料的低。由圖3a、3b可看出，不同的碰撞材料中馬鈴薯的沖擊壓縮變形量差異較大，碰撞材料的曲線密集程度比跌落高度、馬鈴薯質(zhì)量的高。由圖3b、3c可看出，當(dāng)馬鈴薯質(zhì)量較小時(shí)，曲線較陡峭，說明此時(shí)馬鈴薯質(zhì)量對(duì)沖擊壓縮變形量影響較顯著。馬鈴薯質(zhì)量的曲線密集程度比跌落高度、碰撞材料都低。綜上可得各因素對(duì)沖擊壓縮變形量貢獻(xiàn)的程度為碰撞材料>跌落高度>馬鈴薯質(zhì)量。因此后續(xù)著重分析碰撞材料和跌落高度對(duì)馬鈴薯跌落碰撞損傷的影響。

2.2 馬鈴薯跌落碰撞的損傷規(guī)律

為減少馬鈴薯外形差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，保證試驗(yàn)因素以外的環(huán)境和條件一致，選取的馬鈴薯為100～150 g，以減小其質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)的誤差影響。不同跌落高度下馬鈴薯與不同材料碰撞的沖擊壓縮變形量見圖4。

圖4 各接觸材料的跌落高度與沖擊壓縮變形量的關(guān)系Fig.4 Relation between dropping height and impact compression deformation amount for each collision material

由圖4可知，隨著跌落高度的增加，不同碰撞材料的沖擊壓縮變形量均呈上升趨勢(shì)：土塊和馬鈴薯的曲線交織上升，65Mn鋼、塑料ABS和丁晴橡膠曲線上升趨勢(shì)比較清晰。65Mn鋼的沖擊壓縮變形量隨著跌落高度增加而增加，在跌落高度>300 mm后，曲線呈近似直線上升趨勢(shì)，沖擊壓縮變形量比其他材料的大。由于硬度比較大，65Mn鋼碰撞時(shí)的彈性變形較小，使馬鈴薯的形變較大，因而65Mn鋼的沖擊壓縮變形量比其他材料大。

塑料ABS的沖擊壓縮變形量曲線，首先是逐漸上升，在跌落高度>400 mm后趨于平緩。塑料ABS具有一定的彈性，對(duì)馬鈴薯的碰撞變形起到緩沖作用，因而塑料ABS的沖擊壓縮變形量處于中間水平，與土塊和馬鈴薯的沖擊壓縮變形量相差不大。

馬鈴薯和土塊的沖擊壓縮變形量曲線在跌落高度>400 mm后上升，在跌落高度>600 mm之后趨于平緩。馬鈴薯具有彈性緩沖性能，因此兩兩碰撞時(shí)，能夠減少變形，而使沖擊壓縮變形量不大。土塊本身具有一定的硬度，但由于收獲時(shí)的土塊含水量較高，能夠?qū)︸R鈴薯的碰撞有一定的緩沖作用，加之土塊具有較多的孔隙，跌落碰撞時(shí)的接觸面積較大，從而減少了形變，因而土塊的沖擊壓縮變形量處于中間水平。

丁晴橡膠的沖擊壓縮變形量在跌落高度為300 mm時(shí)最小，在跌落高度>400 mm后，曲線呈近似直線上升，在跌落高度為600～800 mm，沖擊壓縮變形量的差異很小。丁晴橡膠的沖擊壓縮變形量整體上比其他材料低。丁晴橡膠是緩沖材料，工業(yè)設(shè)計(jì)材料內(nèi)部具有較多孔隙，能夠?qū)︸R鈴薯起到緩沖減震的作用，使馬鈴薯的沖擊變形較小，因而丁晴橡膠的沖擊壓縮變形量最小。

綜上，不同碰撞材料造成沖擊壓縮變形量的差異與其接觸應(yīng)力、沖擊力、接觸面積等有關(guān)。

2.3 馬鈴薯碰撞接觸應(yīng)力的分布特性

2.3.1 不同碰撞材料的接觸應(yīng)力分布特性 馬鈴薯與5種接觸材料進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，通過感壓膠片及其壓力數(shù)字解析系統(tǒng)獲得馬鈴薯碰撞的接觸應(yīng)力及其分布。馬鈴薯與各種材料在不同高度碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力與接觸面積的關(guān)系見圖5，不同接觸材料在不同高度碰撞后的應(yīng)力分布如圖6所示。

馬鈴薯與各種材料在不同高度碰撞時(shí)，接觸應(yīng)力≤0.50 MPa占主要的接觸面積。接觸應(yīng)力為0.50～0.60 MPa應(yīng)是應(yīng)力的峰值，因?yàn)榻佑|應(yīng)力>0.60 MPa 的接觸面積非常小，約為 0.01～1.00 mm2，幾乎可以忽略不計(jì)。接觸應(yīng)力在≤0.50 MPa的接觸面積最大，對(duì)馬鈴薯的損傷起主要貢獻(xiàn)作用；而接觸應(yīng)力為0.50～0.60 MPa的接觸面積很小，不是造成馬鈴薯?yè)p傷的主要應(yīng)力。

當(dāng)接觸應(yīng)力≤0.20 MPa時(shí)，不同跌落高度間的接觸面積相差不大。當(dāng)接觸應(yīng)力>0.20 MPa后，跌落高度為200和300 mm的接觸面積相差很小，而跌落高度≥400 mm的接觸面積比200和300 mm的接觸面積大很多。說明隨著跌落高度增加，接觸應(yīng)力增大，接觸面積也增大，即高應(yīng)力占主要的接觸面積，是導(dǎo)致馬鈴薯碰撞損傷的主要原因。

圖5 不同跌落高度下馬鈴薯與不同材料碰撞的接觸應(yīng)力分布Fig.5 Contact stress distribution of potato in collision with different materials at different dropping height

圖6 馬鈴薯與不同材料的碰撞接觸應(yīng)力典型分布圖Fig.6 Typical distribution of contact stress on potato in collision with different materials

由圖6可以看出，馬鈴薯與65Mn鋼碰撞，當(dāng)?shù)涓叨葹?00 mm時(shí)，低應(yīng)力區(qū)域(綠色區(qū)域)占主要面積；當(dāng)?shù)涓叨取?00 mm后，低應(yīng)力區(qū)域分布在邊緣，高應(yīng)力區(qū)域占主要面積。馬鈴薯與塑料ABS、馬鈴薯、土塊和丁晴橡膠碰撞，當(dāng)?shù)涓叨取?00 mm時(shí)，低應(yīng)力區(qū)域占主要面積；當(dāng)?shù)涓叨取?00 mm后，低應(yīng)力區(qū)域分布在邊緣，而高應(yīng)力區(qū)域占主要面積。從圖6可看出，馬鈴薯與土塊碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力分布的輪廓非常分散，存在較多孔隙，同時(shí)接觸面積也比其他材料大；馬鈴薯與65Mn鋼、塑料ABS、馬鈴薯、丁晴橡膠碰撞的輪廓均呈較規(guī)則的橢圓形。

以上分析說明，與65Mn鋼碰撞，跌落高度≥300 mm后，馬鈴薯開始出現(xiàn)損傷；與塑料ABS、土塊、馬鈴薯、丁晴橡膠碰撞，跌落高度≥400 mm后，馬鈴薯開始產(chǎn)生損傷。

與65Mn鋼碰撞，跌落高度<300 mm時(shí)，≤0.20 MPa的區(qū)域(低應(yīng)力區(qū)域)占據(jù)主要的接觸面積 (74.57%)；在跌落高度≥300 mm 后，>0.20 MPa的區(qū)域(高應(yīng)力區(qū)域)為主要接觸面積 (74.37%)。與塑料ABS、馬鈴薯、土塊、丁晴橡膠碰撞時(shí)，馬鈴薯在跌落高度<400 mm 時(shí)，≤0.20 MPa 的區(qū)域 (低應(yīng)力區(qū)域)占主要的接觸面積，分別為200 mm的 74.37%、60.38%、61.73% 和 65.68%，300 mm的58.23%、76.98%、71.42%和55.41%；在跌落高度≥400 mm 時(shí)，>0.20 MPa 的區(qū)域 (高應(yīng)力區(qū)域)占主要接觸面積，分別為83.52%，73.31%，66.22%和83.87%。因此可以將馬鈴薯受到0.20 MPa的應(yīng)力作為其損傷的臨界應(yīng)力。

圖7 馬鈴薯與不同材料碰撞時(shí)跌落高度與接觸面積的關(guān)系Fig.7 Relation between dropping height and contact area of potato in collision with different materials

2.3.2 馬鈴薯接觸面積和接觸應(yīng)力 從圖 7可以看出，隨著跌落高度的增加，不同材料的接觸面積隨之上升，且接觸面積(Ac)隨著跌落高度(H)上升呈高度線性正相關(guān)，決定系數(shù)(R2)均大于0.95。

不同材料的接觸面積由高到低依次為：土塊、65Mn鋼、丁晴橡膠、馬鈴薯、塑料ABS。從圖7可以看出，土塊的接觸面積十分分散，是因?yàn)橥翂K本身具有較多孔隙，碰撞時(shí)通過增大接觸面積，降低了馬鈴薯的變形和損傷。馬鈴薯與65Mn鋼碰撞時(shí)的接觸面積較大，是由于碰撞時(shí)65Mn鋼塑性變形很小，形變集中于馬鈴薯果肉，使馬鈴薯碰撞變形和接觸面積較大。馬鈴薯與馬鈴薯、丁晴橡膠碰撞時(shí)的接觸面積較大，且馬鈴薯和丁晴橡膠均具有緩沖減震的作用，因此接觸面積較大能夠減少對(duì)馬鈴薯的損傷。馬鈴薯與塑料ABS碰撞時(shí)接觸面積較小，應(yīng)力集中，是馬鈴薯碰撞損傷嚴(yán)重的主要原因。

由此可見，馬鈴薯接觸面積在不同碰撞材料上變化的原理不同，導(dǎo)致馬鈴薯?yè)p傷程度的不同。

如圖8所示，馬鈴薯與各材料碰撞的接觸應(yīng)力隨著高度增加呈正態(tài)分布。65Mn鋼板和塑料ABS的接觸應(yīng)力較大，范圍為0.20～0.31 MPa，隨著跌落高度增大略微起伏；而丁晴橡膠、馬鈴薯土塊的接觸應(yīng)力明顯小于鋼板和塑料ABS，為0.18～0.26 MPa。

不同材料的接觸應(yīng)力具有顯著差異，說明接觸應(yīng)力與馬鈴薯跌落的接觸面積存在關(guān)聯(lián)。

2.3.3 馬鈴薯碰撞接觸應(yīng)力分布與損傷的關(guān)系馬鈴薯的接觸應(yīng)力（P）與接觸面積（Ac）存在關(guān)聯(lián)，而且接觸應(yīng)力與接觸面積的乘積，即為碰撞沖擊力（F），即：

馬鈴薯沖擊壓縮變形量與碰撞沖擊力的線性擬合見圖9，兩者高度線性相關(guān)。沖擊壓縮變形量的回歸方程見表3，除了土塊(R2=0.963 4)，其他材料的R2均大于0.99。說明通過感壓膠片測(cè)量的接觸應(yīng)力和接觸面積能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估馬鈴薯的損傷。

圖8 馬鈴薯與不同材料碰撞的接觸應(yīng)力與跌落高度的關(guān)系Fig.8 Relation between contact stress and dropping height of potato in collision with different materials

圖9 馬鈴薯與不同材料碰撞時(shí)沖擊壓縮變形量與沖擊力的關(guān)系Fig.9 Relation between impact compression deformation amount and impact force of potato in collision with different materials

表3 馬鈴薯與不同材料碰撞的沖擊壓縮變形量的回歸方程Table 3 Regression equation of impact compression deformation amount of potato in collision with different materials

3 結(jié)論

本研究采用感壓膠片及配套的壓力圖像數(shù)字解析系統(tǒng)分析馬鈴薯跌落碰撞的接觸應(yīng)力及其分布特性，獲得馬鈴薯跌落碰撞的損傷預(yù)測(cè)模型。研究了碰撞材料和跌落高度對(duì)馬鈴薯碰撞損傷影響的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立了相關(guān)模型。在方差分析中，馬鈴薯質(zhì)量對(duì)其碰撞損傷同樣具有顯著影響，馬鈴薯質(zhì)量對(duì)馬鈴薯碰撞損傷機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

馬鈴薯組合正交試驗(yàn)的響應(yīng)曲面分析表明，跌落高度、碰撞材料、馬鈴薯質(zhì)量對(duì)馬鈴薯碰撞的沖擊壓縮變形量影響顯著，且影響程度由大到小為碰撞材料>跌落高度>馬鈴薯質(zhì)量。

跌落高度為200～800 mm時(shí)，接觸應(yīng)力≤0.50 MPa占主要的接觸面積，對(duì)馬鈴薯的損傷起主要貢獻(xiàn)作用。馬鈴薯接觸應(yīng)力0.50～0.60 MPa是接觸應(yīng)力峰值，因?yàn)轳R鈴薯接觸應(yīng)力>0.60 MPa的接觸面積約為0.01～1.00 mm2，可忽略不計(jì)。不同碰撞材料馬鈴薯?yè)p傷的跌落高度不一致，碰撞材料為65Mn鋼時(shí)，在跌落高度≥300 mm后，馬鈴薯開始出現(xiàn)損傷，而塑料ABS、土塊、馬鈴薯、丁晴橡膠在跌落高度≥400 mm后，馬鈴薯開始發(fā)生損傷。當(dāng)碰撞材料的跌落高度<400 mm(65Mn 鋼<300 mm)時(shí)，≤0.20 MPa的區(qū)域占據(jù)主要的接觸面積，當(dāng)?shù)涓叨取?00 mm(65Mn鋼≥300 mm)時(shí)，(0.20，0.60] MPa的區(qū)域?yàn)橹饕佑|面積。因此可以將0.20 MPa的接觸應(yīng)力作為馬鈴薯?yè)p傷的臨界應(yīng)力。跌落高度與接觸面積呈高度線性正相關(guān)，R2均大于0.95。隨著跌落高度增大，65Mn鋼和塑料ABS的接觸應(yīng)力有略微起伏，為0.20～0.31 MPa；馬鈴薯、土塊和丁晴橡膠的接觸應(yīng)力明顯低于65Mn鋼和塑料ABS，為0.18～0.26 MPa。沖擊壓縮變形量與接觸應(yīng)力和接觸面積的乘積即碰撞沖擊力呈高度線性相關(guān)，R2大于0.96，說明沖擊壓縮變形量與碰撞沖擊力的回歸方程模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估馬鈴薯的損傷。

致謝：感謝宋波濤教授和陳惠蘭教授對(duì)試驗(yàn)給予的幫助和鼓勵(lì)！