葵花籽的力學特性及有限元分析

劉 英， 范開欣， 李小燕， 許迎春

(甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院，甘肅 武威 733006)

向日葵為菊科、向日葵屬植物，因花盤有向日性而得名?？ㄗ咽俏覈匾挠土献魑铮饕糜谡ビ?，也可嗑食，具有較大的社會需求量，并且其副產品是食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)的原料，也可做飼料。向日葵適應性強，分布廣泛。我國葵花的種植區(qū)域大多分布在北方，主要集中在東北地區(qū)，以及華北地區(qū)的河北、山西和內蒙古等地，西北地區(qū)的寧夏、甘肅和新疆等地，且多分布在干旱的貧瘠土地和鹽堿地上，是農民增收的重要經(jīng)濟作物。截至2019年，全國葵花籽種植面積達到1 490萬畝，已成為世界最大的食葵種植國，其中甘肅省葵花籽種植面積達到78萬畝，是我國葵花籽主產區(qū)之一。

隨著向日葵種植面積的不斷增大，傳統(tǒng)的人力脫籽方式已經(jīng)不能滿足向日葵產業(yè)化的需求，因此亟待尋找一種高效的葵花脫籽機械。目前市場上的葵花脫籽機械均存在脫籽效率低和破碎率高等問題，已經(jīng)不能完全滿足向日葵脫籽的要求。研究發(fā)現(xiàn)，設計葵花脫籽機械時應著重考慮向日葵的脫籽效果，但葵花籽在脫籽過程中易破碎，目前針對該問題所做的研究工作還較少，所以葵花籽的臨界破碎力參數(shù)顯得尤為重要[1-4]。本實驗采用SANS微機控制的電子拉力試驗機對葵花籽進行力學特性分析，建立其物理模型，并根據(jù)ANSYS模擬葵花籽在脫粒過程中的變形情況，為葵花脫籽、清選機械的設計提供理論依據(jù)[5-6]。

1 葵花籽壓縮特性試驗

1.1試驗材料與設備

向日葵試驗品種為甘肅地區(qū)種植的嘉瑞1號、凱福瑞2號、黎萊褔1號，含水率為14%～22%。選擇成熟、顆粒形態(tài)完好、無破損、無病蟲害的向日葵樣品作為試驗材料?？ㄗ训膲嚎s力學特性試驗在深圳市新三思計量技術有限公司生產的SANS微機控制電子拉力試驗機上完成，試驗臺如圖1 所示。

圖1 試驗臺

1.2 試驗方法

用游標卡尺測量葵花籽粒的長徑、寬徑、高徑。參數(shù)測量方法如圖2 所示，選用量程0～150 mm、測量精度0.02 mm的電子式游標卡尺，隨機選擇150?？ㄗ逊謩e對其長徑、寬徑、高徑進行測量，并對測量結果進行分析。

圖2 葵花籽三維尺寸測量方法

葵花籽在脫籽過程中受力主要為脫籽輥的作用力，脫籽輥轉速及葵花籽與脫籽輥之間的接觸方式對脫籽結果有很大影響，因此有必要測定葵花籽的壓縮特性參數(shù)[7-8]。

試驗采用的加載壓頭為平板壓頭，傳感器量程為20 kN，精度為0.1 N，加載速率為1.5 mm/min，在相同加載速率(1.5 mm/min)條件下，研究3種不同接觸方式葵花籽破碎需要力的大小。每組試驗隨機選取20個試樣，葵花籽壓縮示意圖如圖3所示。

1.3 試驗結果及分析

3個品種葵花籽的幾何尺寸測量結果見表1。由表1可知，葵花籽的品種不同，則幾何尺寸不同，其中嘉瑞1號的總體尺寸最大，凱福瑞2號次之，黎萊褔1號最?。挥勺儺愊禂?shù)可知，同一品種的葵花籽相同方向上的尺寸在一定范圍內波動，且符合正態(tài)分布；同一品種的葵花籽在不同方向上的尺寸存在較大差異，長徑方向尺寸最大，寬徑方向尺寸次之，高徑方向尺寸最小。

用萬能材料試驗機測得力-位移數(shù)據(jù)，得到葵花籽壓縮時的力-位移曲線，如圖4 所示，該圖反映了葵花籽尺寸相同時的應力-位移曲線。由圖4可以看出，力與位移關系曲線呈非線性關系，正向壓縮時生物屈服點最高。當電子拉力試驗機開始壓縮時，壓力逐漸上升，當壓力達到一定值時，電子拉力試驗機下降速度變慢，壓力值繼續(xù)上升，隨著平板壓頭繼續(xù)加壓，壓力值達到頂峰，葵花籽破碎，電子拉力試驗機停止壓縮。分析壓力—位移曲線，可知在縱向壓縮時，葵花籽的破碎極限壓力平均值為54 N，橫向壓縮時破碎極限壓力平均值為54 N，正向壓縮時極限破碎壓力平均值為66 N，其不同接觸方式壓力值分布如圖5所示。

圖3 葵花籽壓縮示意圖

表1 不同品種葵花籽三維尺寸測量結果

圖4 葵花籽不同壓縮方式的壓力-位移曲線

圖5 葵花籽不同接觸方式壓縮壓力值分布

試驗結果表明：采用正向壓縮時，葵花籽的破碎壓力最大，縱向與橫向壓縮破碎壓力大小相似。因此，在設計葵花脫籽機中脫籽輥的轉速時，應取縱向或橫向壓縮的壓力值作為參考。

2 葵花籽的有限元分析

2.1 葵花籽材料參數(shù)及受力模型

用ANSYS對葵花籽在脫籽過程中的受力進行有限元分析，對葵花籽進行模擬沖擊試驗，研究葵花籽在脫籽過程中的變形情況，在微觀上研究葵花籽的變形，從而為葵花脫籽機的設計提供理論依據(jù)。新鮮的葵花籽生物特性個體間差異較大，多次測量取平均值：長20 mm、寬10 mm，呈現(xiàn)兩頭小、中間大的橄欖形，其厚度最大值為5 mm?？ㄗ褞缀文Ｐ腿鐖D6所示。

圖6 葵花籽幾何模型

目前通常采用壓縮試驗法研究農業(yè)物料的彈性模量，物料固定在兩剛性平板之間，再給其中一平板加載一定的速率和力，利用布森聶理論可以得出彈性模量的計算公式：

(1)

式中：μ為葵花籽的泊松比；D為葵花籽的變形；F為加載力的大小；R為壓模半徑。

大部分生物材料的泊松比在0.2～0.5 之間，由于新鮮葵花籽的材質比較柔軟，查閱相關資料取泊松比為0.36。經(jīng)計算可得，正向壓縮時葵花籽的彈性模量為78.0 MPa，側向壓縮時葵花籽的彈性模量為76.3 MPa。

不同的加載速率對應力應變關系有一定的影響，因此在試驗時保持速度不變，由不同大小力作用下的變形得出應力應變關系，如圖7所示。

圖7 葵花籽應力應變關系

根據(jù)慣性定理可知，葵花籽在脫籽輥撞擊下短時間內不發(fā)生位移，而是在慣性力的作用下產生變形，變形大小隨轉速大小的變化而變化。在脫籽輥1 300 r/min和1 500 r/min兩種轉速情況下，針對葵花籽短期變形對葵花籽總變形的影響進行有限元分析。

利用Solidworks進行三維建模并導入ANSYS，分析葵花籽的受力，可知葵花籽變形一部分為彈性變形，一部分是塑性變形，故本有限元分析為非線性分析，采用SOLID45單元，輸入對應材料參數(shù)，利用ANSYS網(wǎng)格劃分功能進行網(wǎng)格劃分，并對有限元模型進行位移加載，由于速度的不同，葵花籽的瞬間變形也不同。在葵花籽模型的3/4處施加位移載荷，1 300 r/min時施加1 mm的位移載荷，1 500 r/min時施加2 mm位移載荷，其有限元模型和位移加載情況如圖8所示。

圖8 葵花籽有限元模型及位移加載

2.2 有限元仿真結果分析

網(wǎng)格劃分完畢后，對其進行載荷步設置，利用ANSYS求解器求解，求解完畢后會出現(xiàn)結果收斂批示圖。利用ANSYS軟件生成結果文件，進行后處理，可以得出脫籽輥在1 300 r/min時及1 500 r/min時葵花籽在Z向的變形情況，如圖9所示。

新鮮的葵花籽材質較軟，有較強的彈性恢復能力。由圖9可以看出，轉速為1 300 r/min時，葵花籽大部分變形在0.9 mm左右，最大變形為1.4 mm。觀察葵花籽的變形規(guī)律，最大變形處集中在頂部，葵花籽的變形對葵花籽殼以及葵花仁損傷較小。轉速為1 500 r/min時，葵花籽的整體變形較大，大部分變形在1.8 mm左右，頂部變形達到2.8 mm，此時的變形更容易引起葵花籽殼破碎、葵花仁損傷。

圖9 葵花籽不同轉速下的Z向變形云圖

3 結論

(1)葵花籽壓縮試驗表明：在縱向壓縮時，葵花籽的破碎極限壓力平均值為54 N，橫向壓縮時破碎極限壓力平均值為54N，正向壓縮時極限破碎壓力平均值為66 N；采用正向壓縮時，葵花籽的破碎力最大。計算可得正向壓縮時葵花籽的彈性模量為78.0 MPa，側向壓縮時葵花籽的彈性模量為76.3 MPa。

(2)對模擬沖擊試驗下的葵花籽有限元分析表明：主要變形集中在中部及頂部，而頂部的變形對葵花籽的影響最大，會導致葵花籽破裂。在設計葵花脫粒機械時，脫籽輥的轉速對葵花籽的損傷有很大影響，結合變形云圖分析結果可知，脫籽輥轉速應設計在1 300 r/min左右。