籽瓜靜壓機(jī)械破壞損傷試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）08-0202-09

Abstract：To study the mechanical damage causedby static load during harvest，storage，and transportationof seed melons，static load compression damage tests were carred outon intact seed melons.The effects of compression position，hardness，andloadingrateon the mechanical propertiesand damage of seed melonswerestudied.The single-factor test results show thatthe failure limit，failureenergy，anddamagevolume decreasegraduallywhen the compression position varies from 0^° to 90^° . When hardness increases from 2.2MPa to 2.8MPa ，the failure limit and failureenergygraduallyincrease，whiledamagevolumegraduallydecreases.Whentheloadingrateranges from 30mm/min to 60mm/min ，the failure limit and failure energy first increase and then decrease，exhibiting an extreme value phenomenon，whilethe damage volume first decreases andthen increases，also showingan extreme value phenomenon.Theresultsof multi-factorresponse surface tests show thatthe interaction between compressivepositionand hardess，compresionpositionandloadingrate，andhardnessandloading rateallhave significant effectsonthe failure limit，failureenergy，and damage volume.Aregresionmodel was established to predictthefailure limit，failure energy， anddamage volume based on compression position，hardness，and loading rate.The model was validated and optimized.Withtheobjectives of maximizing failure limit and failure energy while minimizing damagevolume，the optimal parameter combination was determined as a compression position of 52^° ，hardness of 2.8MPa ，andloadingrateof 44mm/min Theestablished modelcanprovidetheoretical referenceandguidance for mechanical damage prediction，storageand transportation mode selection，and low-loss harvesting equipment design.

Keywords：seed melon；static pressure；damage；mechanical characteristics；failure limit

0 引言

籽瓜為葫蘆科西瓜的一個(gè)變種，別名“打瓜”，種植區(qū)主要分布在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古和寧夏等地，籽瓜含有果膠、多糖、維生素、氨基酸和微量元素多種營(yíng)養(yǎng)成分[1.2]。目前對(duì)籽瓜的利用主要為取籽和深加工，籽瓜深加工可提高籽瓜的產(chǎn)業(yè)附加值[3]，瓜皮用于提取果膠、化妝品原料和制作低糖果脯，瓜囊瓜汁及提取物用于制作罐頭、飲料和保健品，瓜籽主要作為炒貨和瓜籽油原料[4-6]。深加工之前，要求籽瓜完整低損，在機(jī)械收獲和儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的靜載機(jī)械破壞損傷會(huì)導(dǎo)致籽瓜品質(zhì)衰變，儲(chǔ)藏期縮短，影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，研究籽瓜靜載機(jī)械破壞損傷具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)梨、蘋(píng)果、草莓、弼猴桃、蜜瓜和西瓜等瓜果進(jìn)行了靜載條件下的機(jī)械損傷研究。曹振濤等對(duì)2種梨子進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明梨子外部軟內(nèi)部硬，內(nèi)部的果肉不容易發(fā)生損傷，梨子的破壞極限與壓縮距離呈正相關(guān)，壓縮速率對(duì)不同種類(lèi)梨的影響不同，壓縮能量對(duì)損傷面積影響較大，損傷面積與壓縮能量呈正相關(guān)。朱健軍8對(duì)富士蘋(píng)果壓縮損傷特性與品質(zhì)劣變機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明加載速度對(duì)蘋(píng)果破壞力極顯著，壓縮位置對(duì)破壞力影響顯著。李俊杰等9對(duì)庫(kù)爾勒香梨進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，各試驗(yàn)因素對(duì)香梨壓縮特性指標(biāo)的影響程度顯著性依次是壓縮量、加載位置、壓頭材料、壓頭類(lèi)型、加載速率。楊濤10研究了哈密瓜壓縮及蠕變特性，結(jié)果表明哈密瓜各部位的彈性模量、破壞極限、破壞能具有明顯差異，隨著成熟度的增大，各部位的彈性模量、破壞極限、破壞能逐漸減小。楊曉清等11對(duì)河套蜜瓜機(jī)械特性與損傷體積進(jìn)行了研究，結(jié)果表明加載速率、溫度、硬度和受壓部位對(duì)河套蜜瓜受壓產(chǎn)生的損傷均有明顯影響，其中速率與溫度、部位的交互性作用對(duì)損傷的影響極顯著，部位與溫度的交互作用顯著。王芳12對(duì)西瓜壓縮及蠕變特性進(jìn)行了研究，得出各因素對(duì)西瓜壓縮特性的影響規(guī)律，建立了預(yù)測(cè)靜壓條件下西瓜損傷體積和品質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。目前圍繞籽瓜靜載機(jī)械損傷的深入研究較少。

籽瓜在機(jī)械收獲和儲(chǔ)運(yùn)等過(guò)程中，在其自然狀態(tài)下承受外載作用，比如收獲裝置將籽瓜與瓜藤分離的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擠壓，在運(yùn)輸貯藏環(huán)節(jié)，籽瓜堆積產(chǎn)生擠壓。在籽瓜的各個(gè)流通環(huán)節(jié)中，靜載壓縮是造成籽瓜機(jī)械損傷的主要原因之一。本文采用平頂壓頭對(duì)完好籽瓜進(jìn)行靜載壓縮破壞，研究各試驗(yàn)因素對(duì)籽瓜承載破壞時(shí)機(jī)械特性和損傷的影響規(guī)律，建立機(jī)械破壞損傷指標(biāo)與靜載試驗(yàn)因素的回歸數(shù)學(xué)模型，為損傷預(yù)測(cè)、儲(chǔ)運(yùn)方式選擇和低損收獲裝備的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)籽瓜品種為新疆呼圖壁種植的黑豐1號(hào)，種植株距 23cm 、行距 30cm 以及膜寬 70cm ，種植模式為三膜六行平作，膜間距 90cm ，成熟期在8月下旬—9月上旬，該品種近似圓球體。在同一種植區(qū)域人工采摘選取形狀均勻、直徑為 170～180mm 、無(wú)任何損傷和病蟲(chóng)害的籽瓜作為試驗(yàn)樣品，按試驗(yàn)要求分組編號(hào)。

試驗(yàn)儀器主要有微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為 RGM-4002 ，規(guī)格為 2kN ，準(zhǔn)確度等級(jí)1級(jí)，精度為 0.001N ）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（型號(hào)為DL91300，規(guī)格為300mm ，精度為 0.01mm ）、數(shù)顯果實(shí)硬度計(jì)（型號(hào)為GY-4 ）角度尺。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1試驗(yàn)裝置

Fig.1Testing apparatus1.籽瓜2.壓頭3.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)4.計(jì)算機(jī)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2. 1 試驗(yàn)因素

籽瓜屬于軟質(zhì)果實(shí)，具有明顯的黏塑性，依據(jù)黏塑性果實(shí)受到外力將會(huì)吸收能量的觀點(diǎn)，不同的加載速率使籽瓜吸收的能量大小不同，從而對(duì)籽瓜損傷程度的影響不同[13，14]。籽瓜硬度主要指籽瓜單位面積所能承受的壓力，直接反映籽瓜成熟度。硬度不同，成熟度不同，靜載壓縮時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)特性不同，產(chǎn)生的機(jī)械損傷也不同。籽瓜主要由瓜梗、瓜頂、外表皮、瓜皮、瓜囊和瓜籽組成，其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2籽瓜外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Fig.2 Shape and internal structure of seed melon 1.瓜梗2.瓜頂3.瓜籽4.外表皮5.瓜皮6.瓜瓢

各組成部分的密度、彈性模量不同，各部位的瓜皮厚度和外表皮韌性不同，籽瓜具有明顯的各向異性特點(diǎn)[15.16]，不同的受壓位置導(dǎo)致受壓后產(chǎn)生的損傷程度不同，其中，受壓位置由瓜梗瓜頂軸線(xiàn)與壓頭軸線(xiàn)的夾角量化表示，如圖3所示。綜上，將加載速率、硬度、受壓位置作為靜壓機(jī)械破壞損傷試驗(yàn)因素。

圖3受壓位置示意圖Fig.3 Compression position diagram1.底座2.瓜頂3.壓頭4.瓜梗

1.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

完整籽瓜靜載壓縮過(guò)程中，隨著壓縮載荷增加，籽瓜變形量和抗壓力也隨之增加，當(dāng)壓縮載荷增加到一定值時(shí)，籽瓜發(fā)生破裂，繼續(xù)壓縮，抗壓力大幅度下降，在力一變形曲線(xiàn)中該點(diǎn)為破裂點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力為最大抗壓力即破壞極限，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變形為破裂變形量，破裂時(shí)吸收的能量為破壞能，其數(shù)值為破裂點(diǎn)下方變形曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)圍成區(qū)域的面積，可用微積分法求得[17-19]，即

式中： U_b —破壞能，J；L_b 破裂變形量， mm F_b -破壞極限，N;dL 瞬間變形量， mm 。

破壞極限反映受壓條件下籽瓜承載破壞的能力，是籽瓜力學(xué)特性的重要指標(biāo)，破壞極限越高越有利于抵抗收獲儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的機(jī)械損傷。依據(jù)吸收能量的觀點(diǎn)，破壞能影響外載荷作用下籽瓜損傷破壞程度，因此，將破壞極限、破壞能作為靜壓機(jī)械破壞損傷試驗(yàn)指標(biāo)。

在靜載壓縮過(guò)程中，籽瓜受壓部位向內(nèi)凹陷，內(nèi)部損傷體積逐漸增大，直到發(fā)生破裂為止，損傷體積直觀反映籽瓜內(nèi)部損傷程度，將損傷體積作為靜壓機(jī)械破壞損傷試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)后籽瓜常溫貯藏 12h ，沿受壓方向切開(kāi)籽瓜，損傷部位發(fā)生褐變，與周邊產(chǎn)生分界線(xiàn)，其損傷形狀近似橢球體，測(cè)量損傷長(zhǎng)度、寬度、高度，損傷體積的計(jì)算如式（2）所示，雖然此方法存在一定誤差，但誤差針對(duì)所有試驗(yàn)樣品。

式中： V 損傷體積， m³ ：A 損傷長(zhǎng)度， mm B 損傷寬度， mm ：c 損傷高度， mm 。

1.2.3 單因素試驗(yàn)方案

分別以受壓位置、硬度、加載速率為試驗(yàn)因素，以破壞極限、破壞能、損傷體積為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行籽瓜靜壓機(jī)械破壞損傷試驗(yàn)。進(jìn)行受壓位置單因素試驗(yàn)時(shí)，硬度為 2.6MPa ，加載速率為 50mm/min ；進(jìn)行硬度單因素試驗(yàn)時(shí)，加載速率為 50mm/min ，受壓位置為60^° ;進(jìn)行加載速率單因素試驗(yàn)時(shí)，硬度為 2.6MPa ，受壓位置為 60^° 。單因素試驗(yàn)水平如表1所示。

表1單因素試驗(yàn)水平Tab.1 Single factortest level

1.2.4 多因素響應(yīng)面試驗(yàn)方案

為研究多因素交互對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Design—Expert11.O軟件，采用Box—BehnkenDesign試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)[20]，試驗(yàn)因素水平編碼如表2所示，根據(jù)編碼后的試驗(yàn)方案進(jìn)行靜壓破壞損傷試驗(yàn)。

表2多因素試驗(yàn)水平 Tab.2 Multifactor test level

2 結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，用重復(fù)試驗(yàn)平均值士標(biāo)準(zhǔn)差表示單因素試驗(yàn)中各試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果，如表3所示。采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素統(tǒng)計(jì)分析，分析單個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

表3單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Single factor test results

2.1.1受壓位置對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由表3可知，受壓位置為 0^°～90^° 時(shí)，破壞極限、破壞能、損傷體積分別呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，即受壓時(shí)瓜梗、瓜頂軸線(xiàn)與壓頭軸線(xiàn)的夾角越大，破壞極、破壞能、損傷體積越小。對(duì)受壓位置單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4受壓位置方差分析Tab.4 Variance analysis of compression position

注： Plt;0.01 表示影響極顯著； 0.01 0.05表示影響不顯著。下同。

由表4可知，受壓位置對(duì)破壞極限、破壞能、損傷體積的影響均極顯著（ （Plt;0.01） ，由 F 值的大小判斷，受壓位置對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響程度順序?yàn)槠茐臉O限 gt; 損傷體積 gt; 破壞能。

2.1.2 硬度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由表3可知，硬度為 2.2～2.8MPa 時(shí)，破壞極限和破壞能逐漸增大，損傷體積逐漸減小，即硬度越大，破壞極限、破壞能越大，損傷體積越小。對(duì)硬度單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5硬度方差分析Tab.5Varianceanalysisof hardness

由表5可知，硬度對(duì)破壞極限、破壞能、損傷體積的影響均極顯著 （Plt;0.01） ，由 F 值的大小判斷，硬度對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響程度順序?yàn)閾p傷體積 gt; 破壞極限 gt; 破壞能。

2.1.3加載速率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由表3可知，加載速率為 30～60mm/min 時(shí)，破壞極限呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，破壞能也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，損傷體積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，存在極值，加載速率為 50mm/min 時(shí)破壞極限、破壞能的值最大，損傷體積的值最小。對(duì)加載速率單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6加載速率方差分析Tab.6Variance analysis of loading rate

由表6可知，加載速率對(duì)破壞極限、破壞能、損傷體積的影響均極顯著（ Plt;0.01 ，由 F 值的大小判斷，加載速率對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響程度順序?yàn)閾p傷體積 gt; 破壞極限 gt; 破壞能。

2.2多因素響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)多因素響應(yīng)面試驗(yàn)方案進(jìn)行Box—BehnkenDesign試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。 X₁，X₂ 和 X₃ 分別為試驗(yàn)因素受壓位置、硬度、加載速率的編碼值。

表7多因素響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果 Tab.7 Multifactor response surface test results

利用Design—Expert11.O軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，建立各試驗(yàn)因素與各試驗(yàn)指標(biāo)之間的二次線(xiàn)性回歸方程數(shù)學(xué)模型，繪制各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)曲面圖，分析各試驗(yàn)因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)得出最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2.1試驗(yàn)因素對(duì)破壞極限的影響

破壞極限 F_b 的方差分析如表8所示，該回歸模型的 Plt;0.01 ，擬合度極顯著， X_{1?X2?X3?X1X3?X3²} 對(duì)破壞極限 F_b 的影響極顯著（ （Plt;0.01 ）， X₁X₂、X₂X₃、X₁² X₂² 對(duì)破壞極限 F_b 的影響顯著 （0.01b 的回歸方程，如式（3）所示。

F_b=546.58-29.75X₁+28.66X₂+20.14X₃- 8 .15X₁X₂-11.65X₁X₃-8.48X₂X₃- 10.08X₁²-10.3X₂²-20.3X₃² （3）

各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)破壞極限 F_b 的影響顯著性程度為 X₁gt;X₂gt;X₃ 。失擬項(xiàng) Pgt;0.05 ，說(shuō)明模型失擬性不顯著，回歸模型與實(shí)際擬合較好。

表8破壞極限方差分析Tab.8 Variance analysis of failure limit

Fig.4Response surface of two-factor interaction to failure limit

為確定各試驗(yàn)因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)破壞極限的影響，選取某一因素并固定水平，分別繪制受壓位置、硬度和加載速率對(duì)破壞極限影響的響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。從圖4（a）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞極限呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)受壓位置為 90^° 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞極限也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變陡；當(dāng)硬度為 2.2MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞極限呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)硬度為 2.8MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞極限也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩。受壓位置與硬度的交互作用對(duì)破壞極限影響顯著 （0.01

從圖4（b）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞極限呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，減小的趨勢(shì)不明顯，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致，當(dāng)受壓位置為 90^° 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞極限呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)加載速率為 30mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞極限呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞極限也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變陡。受壓位置與加載速率的交互作用對(duì)破壞極限的影響極顯著（ Plt;0.01 。

從圖4（c）可以看出，當(dāng)加載速率為 30mm/min 時(shí)，隨著硬度增大，破壞極限呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞極限也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩；當(dāng)硬度為2.2MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞極限呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)硬度為 2.8MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞極限呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致。加載速率與硬度的交互作用對(duì)破壞極限的影響顯著（0. 01lt;Plt;0. 05）。

2.2.2試驗(yàn)因素對(duì)破壞能的影響

破壞能 U_b 的方差分析如表9所示，該回歸模型的Plt;0.01 ，擬合度極顯著， X₁?X₂?X₃?X₁X₃?X₂² 對(duì)破壞能U_b 的影響極顯著（ Plt;0.01 ） X₁X₂、X₂X₃、X₃² 對(duì)破壞能U_b 的影響顯著（ 0.011² 對(duì)破壞能 U_b 的影響不顯著（ Pgt;0.05 ），將不顯著項(xiàng)并人殘差項(xiàng)，得到各因素對(duì)破壞能 U_b 的回歸方程，如式（4）所示。

U_b=13.16-0.61X₁+0.85X₂+0.39X₃+ 0.25X₁X₂-0.38X₁X₃-0.25X₂X₃- 0.32X₂²-0.29X₃²

各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)破壞能 U_b 的影響顯著性程度為 X₂gt;X₁gt;X₃ 。失擬項(xiàng) Pgt;0.05 ，說(shuō)明模型失擬性不顯著，回歸模型與實(shí)際擬合較好。

表9破壞能方差分析Tab. 9 Variance analysis of failure energy

分別繪制受壓位置、硬度、加載速率對(duì)破壞能影響的響應(yīng)曲面圖，如圖5所示。

圖5雙因素交互作用對(duì)破壞能的響應(yīng)曲面 Fig.5Response surface of two-factor interaction to failure energy

從圖5（a）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞能呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)受壓位置為 90^° 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞能也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變陡；當(dāng)硬度為 2.2MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞能呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)硬度為2.8MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞能也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩。受壓位置與硬度的交互作用對(duì)破壞能的影響顯著 （0.01

從圖5（b）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞能呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)受壓位置為 90^° 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，存在極值，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致；當(dāng)加載速率為30mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞能總體變化不大，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，破壞能也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。受壓位置與加載速率的交互作用對(duì)破壞能的影響極顯著（ Plt;0.01 ）。

從圖5（c）可以看出，當(dāng)加載速率為 30mm/min 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞能呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著硬度由小到大，破壞能也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩；當(dāng)硬度為2.2MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞能呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)硬度為2.8MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，破壞能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，存在極值，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致。加載速率與硬度的交互作用對(duì)破壞能的影響顯著0 ?01

2.2.3 試驗(yàn)因素對(duì)損傷體積的影響

損傷體積 V 的方差分析如表10所示。

表10損傷體積方差分析Tab.1o Variance analysis of damage volume

該回歸模型的 Plt;0.01 ，擬合度極顯著， X₁，X₂ 、X₃，X₁X₂，X₁X₃，X₂X₃，X₃² 對(duì)損傷體積 V 的影響極顯著0 Plt;0.01 ）， X₁²?X₂² 對(duì)損傷體積 V 的影響不顯著（ Pgt; 0.05），將不顯著項(xiàng)并人殘差項(xiàng)，得到各因素對(duì)損傷體積 V 的回歸方程如式（5）所示。

V=1559.56-71.75X₁-61.25X₂- 49.50X₃+28.50X₁X₂+37.50X₁X₃+ 56.00X₂X₃+53.44X₃ ²

各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)損傷體積 V 的影響顯著性程度為 X₁gt;X₂gt;X₃4 ，失擬項(xiàng) Pgt;0.05 ，說(shuō)明模型失擬性不顯著，回歸模型與實(shí)際擬合較好。

分別繪制受壓位置、硬度、加載速率對(duì)損傷體積影響的響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。

從圖6（a）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著硬度增大，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)受壓位置為90^° 時(shí)，隨著硬度由小到大，損傷體積也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩；當(dāng)硬度為 2.2MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)硬度為 2.8MPa 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，損傷體積也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩。受壓位置與硬度的交互作用對(duì)損傷體積的影響極顯著（Plt;0.01 ）。

從圖6（b）可以看出，當(dāng)受壓位置為 0^° 時(shí)，隨著加載速率增加，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)受壓位置為 90^° 時(shí)，隨著加載速率增加，損傷體積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，存在極值，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致；當(dāng)加載速率為30mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著受壓位置由小到大，損傷體積也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩。受壓位置與加載速率的交互作用對(duì)損傷體積的影響極顯著 （Plt;0.01 ）。

從圖6（c）可以看出，當(dāng)加載速率為 30mm/min 時(shí)，隨著硬度由小到大，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為 60mm/min 時(shí)，隨著硬度由小到大，損傷體積也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變平緩；當(dāng)硬度為 2.2MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果不一致，當(dāng)硬度為 2.8MPa 時(shí)，隨著加載速率增加，損傷體積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，存在極值，與單因素試驗(yàn)分析結(jié)果一致。加載速率與硬度的交互作用對(duì)損傷體積的影響極顯著 （Plt;0.01 。

2.2.4 模型驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化

用試驗(yàn)指標(biāo)破壞極限、破壞能、損傷體積的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差比驗(yàn)證模型的可靠度，絕對(duì)誤差比見(jiàn)式（6）。

式中： φ_i 1 一絕對(duì)誤差比， % ：A_i —模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù);a_i 中 試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

破壞極限、破壞能、損傷體積的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)比較如圖7所示，由圖7（a）可知，破壞極限絕對(duì)誤差比范圍為 0.03%～1.96% ，誤差比平均值為0.56% ；由圖7（b）可知，破壞能絕對(duì)誤差比范圍為0.17%～2.49% ，誤差比平均值為 0.63% ；由圖7（c）可知，損傷體積絕對(duì)誤差比范圍為 0.07%～1.75% 誤差比平均值為 0.40% 。上述結(jié)果表明試驗(yàn)指標(biāo)破壞極限、破壞能、損傷體積的模型預(yù)測(cè)可靠度高。

利用Design—Expert 1l.O 中的 optimization 功能，以破壞極限最大、破壞能最大和損傷體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化，獲得受壓位置、硬度、加載速率最優(yōu)試驗(yàn)因素水平組合，目標(biāo)函數(shù)如式（7）所示。

∣30mm/min?x₃?60mm/min

通過(guò)優(yōu)化求解得到各試驗(yàn)指標(biāo)的預(yù)測(cè)最優(yōu)值：破壞極限為 561.0N ，破壞能為13.6J，損傷體積為1 491mm³ ，與之對(duì)應(yīng)的各試驗(yàn)因素的值：受壓位置為52^° ，硬度為 2.8MPa ，加載速率為 44mm/min 。然后根據(jù)預(yù)測(cè)最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素值進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到試驗(yàn)指標(biāo)最優(yōu)值：破壞極限為 556.7N ，破壞能為13.4J，損傷體積為 1 511mm³ ，各試驗(yàn)指標(biāo)的預(yù)測(cè)最優(yōu)值與試驗(yàn)最優(yōu)值的絕對(duì)誤差比依次為 0.77% 1.49% 和 1.32% ，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值接近。所建立的回歸模型可為籽瓜收獲和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的確定提供預(yù)測(cè)和參考。

3 結(jié)論

1）通過(guò)單因素試驗(yàn)分析得到，受壓位置為 0^°～ 90^° 時(shí)，破壞極限、破壞能和損傷體積均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，受壓位置對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響均極顯著。硬度為2.2～2.8MPa 時(shí)，破壞極限、破壞能呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，而損傷體積呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，硬度對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響均極顯著。加載速率為 30～60mm/min 時(shí)，破壞極限、破壞能分別呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，存在極值現(xiàn)象，損傷體積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，也存在極值現(xiàn)象，加載速率對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)影響均極顯著。

2）利用Design—Expert進(jìn)行多因素響應(yīng)面試驗(yàn)，研究多因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，得出受壓位置與硬度、硬度與加載速率的交互作用對(duì)破壞極限影響均顯著，受壓位置與加載速率的交互作用對(duì)破壞極限的影響極顯著；受壓位置與硬度、硬度與加載速率的交互作用對(duì)破壞能的影響均顯著，受壓位置與加載速率的交互作用對(duì)破壞能的影響均極顯著；受壓位置與硬度、受壓位置與加載速率、硬度與加載速率對(duì)損傷體積的影響均極顯著。

3）對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)破壞極限、破壞能、損傷體積的回歸模型進(jìn)行模型驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，以破壞極限最大、破壞能最大和損傷體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，得到最優(yōu)參數(shù)組合：受壓位置為 52^° ，硬度為 2.8MPa ，加載速率為44mm/min 。

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