毕业设计论文澳洲坚果能量破壳力学特性有限元分析.doc

1、毕 业 论 文题目：澳洲坚果能量破壳力学特性有限元分析 学 生： 学 号： 201005050 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 2014 年 6月 9 日澳洲坚果能量破壳力学特性有限元分析摘 要澳洲坚果又名昆士兰栗，是一种新兴的、含有棕榈油酸( POA) 的树生果实，POA 含量高达 19%，它有助于体内的类脂物的代谢，平衡HDL和LDL胆固醇水平，有助于分解有害的脂肪。我国澳洲坚果产业起步较晚，缺乏相关采后处理、产品加工技术和装备，坚果破壳、去皮，极大的影响坚果的生产、加工和销售。所以，澳洲坚果的破壳去衣是亟待解决的问题。 本文以球形澳洲坚果为研究对象，

2、运用有限元方法和传递过程原理建立了澳洲坚果能量破壳的有限元模型，并采用间接顺序耦合法对模型进行了求解。 模拟与试验结果表明：运用该模型模拟分析澳洲坚果能量破壳力学特性可行；能量破壳过程中应力和应变主要沿果壳开槽处分别向弧顶和弧底中心递减分布；压差应力与湿应力是能量破壳的主导因素；绝对压力对破壳的影响很大，绝对压力的升高不仅使压差应力增大，同时也使湿应力增大。关键词：澳洲坚果，能量破壳，力学特性，热质传递，有限元Finite Element Method on Mechanical Properties of Vacuum Shelling Macadamia ABSTRACTMacadamia

3、also known as Queensland Macadamia. It is an emerging ，raw fruit tree contains palmitoleic (POA) is content of up to 19%，which helps the bodys lipid metabolism， balance HDL and LDL cholesterol levels， helps break down harmful fats. Our macadamia industry started late，lack of post-harvest handling，p

4、rocessing technology and equipment ， broken shell nuts ，peeled nuts greatly affect the production， processing and marketing. Therefore，Macadamias broken shell goes to the question which the clothes is urgently awaits to be slove.In this article，Taking the spherical macadamia as the study object，Taki

5、ng the spherical macadamia as the study object，a finite element model for the mechanical properties of energy shelling macadamia was established by applying the finite element method and transport -process theory. The simulation and experimental results indicated that the finite element model could

6、explain the mechanical properties of energy shelling macadamia well. The moisture distribution of macadamia shell was higher in the bottom center area and lower in the shell edge. The value of stress and strain was decreasing from the shell edge to the arc bottom and peak. The wet stress and pressur

7、e difference stresses played an important role in the energy shelling process，The energy degree had a great effect on the energy shelling process，and the increasing energy degree did not only increase the pressure difference stresses but also the wet stresses.KEY WORDS：Macadamia，energy shelling，Mech

8、anical properties，Heat and mass transfer， Finite element目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 概述11.2 澳洲坚果脱壳的方法21.2.1 手工法21.2.2 火烧法21.2.3 化学法21.2.4 机械法21.2.5 能量法31.2.6 气体射流冲击法31.2.7 真空法31.2.8 微波法31.3 存在的问题和发展趋势41.4 关于坚果力学特性的研究41.5 本文研究的内容62 澳洲坚果破壳机理以及物理参数的确定82.1 澳洲坚果破壳机理研究现状82.2 影响澳洲坚果破壳的力学性能因素82.3 澳洲坚果能量破壳原理92.

9、4 澳洲坚果物理参数的确定92.4.1 澳洲坚果的几何尺寸92.4.2 澳洲坚果的体积92.4.3 澳洲坚果质量的确定102.4.4 澳洲坚果密度102.4.5 坚果加热温度确定102.4.5 坚果破壳含水率变化112.4.6 坚果破壳过程产生内压力（蒸汽场）112.5 小结123 澳洲坚果能量破壳物理及数学模型133.1 几何模型133.2 热质传递模型143.3 应力应变模型153.4 模型求解183.5 小结194 澳洲坚果有限元模型及求解方法204.1 ANSYS 软件概述204.2 ANSYS 14.5 Workbench 简介204.3 ANSYS组成模块214.4 功能概览224

10、5 瞬态热分析流程234.6 澳洲坚果破壳分析模拟步骤255 澳洲坚果破壳结果分析与讨论285.1 收缩变形量模拟与试验结果的比较285.2 温度分布和含水率分布285.3 等效应力和应变云图325.4 应力应变曲线355.5 绝对压力对破壳的影响365.6 其它因素对破壳的影响375.7 小结386 总结与展望386.1 论文总结386.2 建议39致 谢40参 考 文 献411 绪论1.1 概述澳洲坚果，别名：昆士兰果、澳洲胡桃、夏威夷果、昆士兰果，拉丁文名；Macadamia ternifolia F. Muell. 山龙眼科、澳洲坚果属植物在世界上众多的干果之中，澳洲坚果的经济价值最

11、高，素来享有“干果之王”的誉称。在世界上众多的干果之中，澳洲坚果的经济价值最高，素来享有“干果之王”的誉称。澳洲坚果果仁营养丰富（呈奶白色），其外果皮青绿色，内果皮坚硬，呈褐色，单果重15-16克，含油量70%左右，蛋白质9%，含有包括人体必需的8种氨基酸在内的17种氨基酸，还富含矿物质和维生素。澳洲坚果果仁香酥滑嫩可口，有独特的奶油香味，是世界上品质最佳的食用用果，有“干果皇后”，“世界坚果之王”之美称，风味和口感都远比腰果好。澳洲坚果除了制作干果外，还可制作糕点、巧克力、食用油、化妆品等。由于澳洲坚果营养丰富、香脆可口、风味独特，被誉为世界最高级的食用坚果。澳洲坚果可鲜食，但更多是加工成点

12、心，用作面包糕点、糖果、巧克力和冰淇淋等的配料。果皮粉碎后可混作家畜饲料，果皮还可用作死覆盖，果壳可制作活性炭或作燃料，也可粉碎作塑料制品的填充料。澳洲坚果在我国，特别是西南地区，无论气候和土地资源都具有发展澳洲坚果的优势和潜力。西南热区开发澳洲坚果，既可充分发挥我国热区的资源优势和加快边疆山区民族经济的发展，又可提高我国西南地区森林覆盖率，恢复和保护热区生态环境，为我国创造巨大的经济效益、社会效益和生态效益。随着我国澳洲坚果的种植面积和产量规模不断扩大，由于产业起步较晚，缺乏相关采后处理、产品加工技术和装备，坚果的脱皮、脱壳工作几乎全部由手工完成，大大增加了加工成本；另外，由于没有及时完成脱

13、皮、脱壳工作，干燥工艺不成熟，导致部分果仁变质，严重影响了产品的质量13。今后几年，随着现有幼龄果园的陆续投产及果园陆续进入丰产期，我国澳洲坚果的产量将大幅度增长，加工技术的匮乏造成的瓶颈问题将变得日益突出。制约澳洲坚果深加工的因素很多，脱皮，破壳是其中一个主要技术难题。目前，对坚果脱皮、破壳的基础技术研究国外已经开展，但国内目前仍处于空白状态。近年来，澳洲坚果的破壳机械与设备有所改进与发展，但其整仁率和破壳率以及澳洲坚果的品质都不够理想，而且造成澳洲坚果的大量浪费以及人力、财力和物力的大量耗费，使得澳洲坚果的加工业不能得到较快的发展，而引起这些现状的原因都归于对澳洲坚果的破壳机理和澳洲坚果热

14、加工过程中澳洲坚果内部的热量传递和质量传递的过程的机理以及因为水分的蒸发、温度的变化、压力度等产生的应力与应变尚不够清楚，因此，脱壳主要技术以及澳洲坚果在压力中的应力与应变的分析模拟问题做深入研究具有重要的理论和现实意义。1.2 澳洲坚果脱壳的方法澳洲坚果破壳类比板栗破壳如下48：1.2.1 手工法手工法是最早被使用的板栗脱壳方法，它借助于双手将坚硬的外壳剥离，再经过烫煮和手工搓揉将其内皮去掉。作为对手工法的改进，也有人先将板栗蒸煮、锅炒或烘烤，再手工脱壳，此法可称为热力手工法。这种方法不但工序复杂，生产效率非常低，不卫生，无法进行规模化的工业生产，而且在烫、蒸煮过程中将造成栗仁营养成分损失，

15、易氧化褐变，产品质量低劣。另外，手工脱壳成本较高，一个人一天最多只能处理10kg板栗 。1.2.2 火烧法火烧法是先用液化气火焰在高温下将板栗外壳烧掉，然后对未烧尽的板栗进行挤压刮皮，使板栗的仁、衣分开，再将挤压刮皮后的壳、衣、仁混合物一起通过分离器，把栗仁分离出来；最后将分离出的栗仁进行碾磨、清洗得到清洁的栗仁。这种方法脱壳率很高，但燃烧温度难以控制，很容易使板栗熟化，甚至焦化，故必须将处理后的栗仁的表面磨去，以获得干净整洁的外表，因此有一定程度的栗仁损耗。1.2.3 化学法化学法只能脱除较软、较薄的内皮，该方法虽可获得较高的整仁率，但需添加一些限制性的化学成分，如碱等。这些添加物易残留于果

16、仁中，会导致产品具有异味异质，外观颜色也不是很理想，影响成品品质与风味。运用该法的典型代表是李锡均介绍的板栗脱内皮新工艺和设备。该工艺设备制造成本低，工作效率高，结构简单，操作方便；脱皮率可达90%以上；破碎率5% 。1.2.4 机械法机械法主要运用机械力的作用使板栗脱壳。在目前板栗加工市场上仍有着广泛应用。按改进程度可将其分为传统机械法与新机械法两种。传统机械法以磨削、破碎或撞击等形式，直接在机械力的作用下脱壳。此法要求板栗外形规则、大小一致，而事实上由于板栗品种繁杂，形状不规则，壳仁间隙小，所以板栗的机械破壳取仁难度较大，栗仁破碎损失较大，坚壳与内皮不能一次脱除。新机械法提出了“干燥-划痕

17、揉搓-脱壳”的改进型工艺方案，使机械脱壳较易实施，但仍未能彻底解决传统机械法所存在的问题。1.2.5 能量法能量法脱壳的原理是让板栗进入一个高压高温环境中经受一定的高压高温作用，使大量热量积聚于板栗壳内，随后板栗瞬间脱离高压高温环境，在此同时，积聚在板栗壳、内皮和栗仁之间的压力瞬时爆破，实现栗壳和内皮一次脱除。这种工艺的实现不仅对设备要求很高，而且工艺和操作也要求严格控制，否则将会使坚壳、内皮、栗仁同时爆裂，造成大量栗仁损失浪费。这种技术设备的脱壳率据称较高，但由于采用蒸气，使栗仁易熟化，影响后续加工产品的品质。1.2.6 气体射流冲击法气体射流冲击法主要是利用气体射流冲击技术提高传热效率，

18、对已划好口的栗果进行冲击加热，在极短的时间内，栗仁表层水分迅速蒸发，由于栗壳的阻滞，蒸汽不能及时排出，就会在栗仁和壳(包括内层红衣)之间形成了一个蒸汽层，从而将栗仁和壳分离，使板栗外壳自动沿划痕方向裂开，然后进一步可机械或人工剥壳取仁。栗仁经短时高温处理后，其表面酶活性菌可被杀灭，从而有效防止了栗仁的褐变。1.2.7 真空法真空法脱壳的原理是在真空条件下，使具有相当水分的生板栗被加热到一定温度并获得足够的真空度。在真空泵的抽吸作用下，因温度的引入使外壳的水分不断地蒸发而被移除，其韧性和强度降低，脆性大大增加。真空作用又使壳外压力降低，壳内部将相对处于较高压力状态；在外壳被加热干燥产生应力发生应

19、变的同时，果仁也将被加热并使其内部的水分汽化，果仁因失水而收缩，使其与内皮、外壳自行分离。并且由于果仁的水分汽化后无法从外壳内逸出，使壳内的压力进一步升高，达到一定数值时，就会使外壳和内皮爆裂，实现栗壳的脱除。1.2.8 微波法微波法脱壳的原理是当微波作用于板栗时，板栗栗仁内的极性分子(主要是水分子)在交变电磁场的作用下极性取向而高频振动，产生类似摩擦的效应，使内能升高。栗仁中的部分结合水分转变为自由水分汽化逸出，导致栗仁失水而收缩，同时汽化逸出的自由水分以一定的压力作用于板栗内衣，破坏了栗仁和内衣间的贴合；另一方面，内衣和坚硬的外壳在微波能的作用下组织内的结合水分亦减少，纤维组织韧性下降、强

20、度降低。这样，板栗栗仁、内衣和外壳在微波能的作用下其变形各不相同，导致了三者之间的分离，给板栗脱壳去衣提供了良好的前提条件。若在大功率微波作用条件下，当壳内、外压差超过栗壳承受的强度极限值时，栗壳将被炸开，从而实现脱壳、去内衣。由于该法微波能在使板栗脱壳的同时，也会使栗仁不同程度地熟化，故对工艺参数条件的控制较严格。综上所述，澳洲坚果脱壳的方法种类多种多样，其破壳的动力原理也各不相同，并且每种方法都具有一定的特点和自身优势，同时也存在着一定的缺点。手工法：虽然简单易行，对设备、场地要求不高，但劳动强度大，生产效率低，不卫生，产品质量差；火烧法：虽然脱壳率高，但易使板栗熟化，有一定程度的果仁损耗

21、整套设备价格昂贵；化学法：虽然脱皮率，整仁率高，但设备成本低、只能脱内皮，易导致产品异味；机械法：虽然生产效率高，脱壳率高，但造碎损失较大，整仁率不高，设备一次性投资大；能量法：虽然率较高，但对设备要求高，工艺操作要求严格，易使果仁熟化；射流法：虽然可防止果仁褐变，但工艺参数条件的控制要求较高，工序较多；真空法：虽然外壳与内皮一次性脱除，整仁率高，但工艺参数条件的控制要求较高，设备一次性投资大；微波法：虽然整仁率较高，能基本保持果仁原有的色泽、风味和营养，但设备投资不大工艺操作要求严格，易使果仁熟化。1.3 存在的问题和发展趋势从上面澳洲坚果的各种破壳方法的具体描述和优缺点对比中，我们可以看

22、到并归纳总结出以下结论：在澳洲坚果脱壳的方法中，手工法、火烧法、化学法和机械法等属于较传统的方法，它们出现较早，操作简单，脱壳率较高，目前仍有较广泛的应用。但也由于这类方法存在人工劳动强度大，不卫生，设备成本高，在某些情况下容易使澳洲坚果熟化甚至焦化，影响成品品质与风味，产品质量不易保证，或者栗仁造碎损失较大等问题而无法满足日益增长的现代化澳洲坚果精深加工要求。能量法，气体射流冲击法、真空法和微波法等方法是近年来才出现的较新型的澳洲坚果脱壳方法，这类方法的共同特点是：能量通过各种形式快速进入澳洲坚果内，引起板果仁、壳的变形不一，其应力应变造成对外壳的破坏，从而达到破、脱壳的目的。而传统的手工、

23、机械法等主要是通过机械(外)力的引入来破、脱壳。故这类新型的方法我们可广义的统称之为能量法。与传统方法相比，能量法具有省工、省力、节能、高效、环保卫生、对坚果形状规则性无要求等优点，使之日益受到人们的重视，应用前景广阔。但由于这类方法出现较晚，迄今为止，人们常基于机械法来研究澳洲坚果破壳机理，而基于能量法的澳洲坚果破壳机理研究不充分，尚存在着以下三个方面的问题需要解决，这也是将来研究的发展趋势。1.4 关于坚果力学特性的研究目前，对板栗、松籽、核桃、杏核及银杏等坚果破壳时力学特性的研究较多，而对于澳洲坚果破壳力学特性的研究较少。薛忠，郭向明和黄正明等（2013）对澳洲坚果破壳机正弦机构进行设计

24、与试验研究。文中主要是为提高澳洲坚果加工效率，对研制的手动剪切式破壳机正弦滑块机构进行设计及仿真研究 ，利用 matlab 软件simulink模块对正弦滑块机构的位移、速度、加速度随时间变化进行仿真。宋德庆，邓干然等（2010）对澳洲坚果破壳技术的发展现状及对策进行了详细阐述。主要介绍了国内外对澳洲坚果破壳技术的研究现状，并重点概述了坚果破壳机械的研究发展历程以及各种破壳机械的构造及工作原理，旨在对澳洲坚果加工产业及进一步研究破壳机械提供参考。同时，针对其发展前景，提出今后的发展对策。杨磊，陈成海和陈静等（2001）研究国内外澳洲坚果加工工艺与设备的现状及对策。袁越锦，徐英英和党新安等（20

25、08）对板栗脱壳技术与破壳机理研究现状及发展趋势进行了详细的阐述4。文中介绍了现阶段板栗脱壳的方法有手工法、火烧法、化学法、机械法、能量法、气体射流冲击法、真空法、微波法等，各自有自己的优点和缺点。同时也介绍了板栗破壳机理的研究现状以及存在的问题及发展趋势。该文可类比于研究澳洲坚果破壳，张荣荣、李小煜和王为等对有限元法的板栗破壳力学特性分析进行了研究。文中主要介绍了板栗的生产情况以及板栗的几何形状和尺寸，然后建立有限元模型以及受力分析，利用所建立的有限元模型，分别对板栗在YZ平面的Y向和Z向加载的受力状态进行了有限元分析。通过对比可知，在板栗YZ平面的Y方向的Z方向施加载荷时应力和应变分布有一

26、定的方向性且波及范围较广，有利于裂纹的扩展，从而使板栗有效破壳。杨雪银，华中农业大学2005届硕士学位论文:基于有限元方法的板栗破壳机理的研究。文中进行了板栗干燥特性的试验研究以及研究的意义，板栗干燥的试验及分析，板栗力学特性的试验研究，有限元理论的板栗力学分析模型等进行了详细的阐述。杨志良和周玉林等(1991)对松籽的几何、力学特性及崩壳方式进行了研究建立了统一的几何模型，根据松籽破壳前受力及变形状态，建立了松籽力学模型。通过分析确定了受力状态下松籽外壳可能断裂的方位。挛玉振和袁月明等(1991)对松籽的几何特征和压缩破坏进行了试验研究，得出采用碾压式破壳机时应预先按尺寸分级；各个松籽壳体厚

27、度相差甚小，可认为是等厚度；在同一含水率下沿松籽三轴压缩时，其破壳力有明显的差异，建议设计破壳机时，沿Y向对松籽挤压或碾压。挛玉振和袁月明(1993)对松籽壳体的5个工程特性参数进行了测试，对6种不同含水率的松籽进行了沿宽度方向加载的压缩破坏试验，结果表明，破壳力随着含水率的增加而减小，壳体变形没有显著变化，找出了含水率对破壳力的影响规律。挛玉振，袁月明和李云飞(1994)在松籽壳体工程特性参数的测试与静力有限元计算中，介绍了松籽壳体工程特性参数的测试方法和松籽三向尺寸、壳皮厚度、壳仁间隙与静滑动摩擦系数等测试数据，给出了籽壳含水率对破壳力的影响规律，还介绍了以等厚度椭球薄壳作为松籽壳体的计算

28、模型，运用静力有限元进行计算，得出与实测基本吻合的结论。吴子岳(1995)对核桃剥壳的力学分析进行了研究，首先对核桃壳的物理机械特性进行了测定和分析，并将其简化成各向同性的均匀厚度的薄球壳，利用薄壳理论进行内力和变形分析，结果表明两对法向集中力作用较有利于壳的完全均匀破裂。吴斌芳，周国柱和张建钢等(1997)对绵核桃机械剥壳取仁参数选择进行了试验分析，在对绵核桃几何尺寸测定的基础上，应用薄壳理论和断裂理论对绵核桃进行力学分析，通过试验检验得到了对绵核桃采用机械剥壳取仁的重要参数。辛动军(2001)在核桃的破壳原理及力学分析的研究中，利用薄壳理论和动态裂纹扩展理论，分析了核桃的破壳原理，通过分析

29、得出:核桃在两对法向集中力的作用下容易破裂；实现核桃破裂时的转动，即在破裂核桃时给核桃壳施加一交变力，有利于壳的破裂和裂纹的扩展，从而更有利于核桃的破裂。在核桃破壳时如能满足上述条件，则能够实现用最小的挤压力达到合适的挤压量，实现壳仁的完全破裂，并能提高整仁率。周祖愕和郭其泰(1995)对杏核物理特性的进行了研究表明，通过对杏核的外形尺寸、核壳和仁的间隙、杏核压缩破坏载荷及变形、密度等物理特性的测定，杏核分级破壳时的分级数以6级、级差以1为宜；破壳机对辊间隙应保证杏核有1.5一2.5mm的变形量，以使破壳率和破碎率能满足生产要求。刘军和陈宏伟(2004)进行了疆杏核挤压破壳试验，测定了影响杏核

30、破壳的破坏载荷及其压缩变形量等参数；分析表明，杏核的压缩变形并不是显著影响其破坏载荷的物理参数，应对更具代表性的影响物理参数进行分析研究。王灵军和全燕鸣等(2003)对银杏的有限元受力分析中，提出了银杏的几何模型和破壳受力模型，通过有限元分析方法对银杏在各种受施力状态下的力分布的分析，找出了最佳的施力方向与施力方式，从而对破壳设备的研制提供了理论依据。袁巧霞，吴冬生和刘清生(2001)探讨了银杏的分级方法，指出了现有银杏分级方法中存在的问题，并对银杏的机械化分级进行了研究。综上所述，目前坚果力学特性的研究较少涉及到澳洲坚果，而澳洲坚果的力学特性直接影响到澳洲坚果脱壳设备性能的机械化程度。虽然国

31、内己有一些澳洲坚果脱壳设备。但其脱壳率、整仁率、工作效率及脱壳成本均满足不了要求。为了更好的开发研制澳洲坚果脱壳设备，那么研究澳洲坚果破壳的力学特性和破壳机理便显得尤为重要，可为澳洲坚果破壳机理提供理论依据和技术参数。1.5 本文研究的内容针对澳洲坚果破壳中存在的问题，本课题主要对以下内容进行研究：1.澳洲坚果破壳机理的研究以及澳洲坚果物理参数的确定。2.澳洲坚果的能量破壳过程的研究。主要计算澳洲坚果初始的含水量和最终的含水量，以及由于水分蒸发而产生的内压力。3.澳洲坚果的加压过程的研究。主要计算澳洲坚果壳内壳外产生的压力差产生的应力应变。4.在加热过程中澳洲坚果外壳温度分布的研究。利用软件模

32、拟出温度场的分布，得出由于温度差产生的温度应力应变。5.在加热过程中澳洲坚果外壳湿度分布的研究。利用软件模拟出湿度分布场，得出湿度应力应变。6.建立基于有限元理论的力学模型，进行破壳力学特性的有限元分析，并进行最终的结 果分析。7.研究影响澳洲坚果破壳的主要因素。2 澳洲坚果破壳机理以及物理参数的确定2.1 澳洲坚果破壳机理研究现状 从以上澳洲坚果破壳技术的研究现状可以看出，人们已提出了众多的澳洲坚果脱壳技术与方法，并设计了相应的澳洲坚果壳工艺与设备，这些工艺设备都具有某一方面的优势，但同时也存在着不少缺点，如易使澳洲坚果果仁熟化、褐变、破损等。导致这一状况的主要原因之一是人们对澳洲坚果破壳机

33、理的研究不足。迄今为止，关于澳洲坚果破壳机理方面的研究报道不多610。1997年，黄家瀚，朱德明和陈静对澳洲坚果的加工进行了综述，文中总结了澳洲坚果的加工工艺流程，如图2-1： 图2-1 澳洲坚果加工工艺流程2001年，杨磊，陈成海和陈静等，文中介绍了目前国内外澳洲坚果的加工工艺及设备现状，针对我国澳洲坚果加工的现状提出了发展我国坚果加工业的建议。预测，至2005年，我国澳洲坚果壳果产量将达到1 000 t以上，如果不及早解决前期种植的产品加工问题，前期种植者将得不到实际经济利益，想继续种植的生产者将持观望态度，澳洲坚果这一大有发展前景的新兴坚果产业，在我国将得不到应有的快速和持续发展。 20

34、10年，宋德庆，邓干然和薛忠等，对澳洲坚果破壳技术的发展现状及对策进行了研究，文中主要介绍了国内外对澳洲坚果破壳技术的研究现状，并重点概述了坚果破壳机械的研究发展历程以及各种破壳机械的构造及工作原理，旨在对澳洲坚果加工产业及进一步研究破壳机械提供参考。 2013年，薛忠，郭向明和宋德庆等6，进行了澳洲坚果破壳机正弦机构设计与试验研究，该文主要是为提高澳洲坚果加工效率，对研制的手动剪切式破壳机正弦滑块机构进行设计及仿真研究，利用matlab软件simulink模块对正弦滑块机构的位移、速度、加速度随时间变化进行仿真。仿真结果表明该正弦滑块机构的各种曲线为高频正弦曲线，但在拐点处存在一定冲击力，应

35、用该冲击力可完成坚果破壳。经试验测试该机破壳率可以达85%，满足坚果加工需求。2.2 影响澳洲坚果破壳的力学性能因素 澳洲坚果破壳力的大小和破壳的难易程度，既与澳洲坚果本身的特性有关，如澳洲坚果的含水率、大小、形状及壳体的厚度，又与外界的加载方向、加载速率、施加的压力度、预热温度、预热时间、破壳的时间等因素有关。2.3 澳洲坚果能量破壳原理 本研究采用能量法脱壳原理1013，澳洲坚果进入一个高压高温环境中经受一定的高压高温作用，使大量热量积聚于坚果壳内，随后坚果瞬间脱离高压高温环境，在此同时，积聚在坚果壳、内皮和果仁之间的压力瞬时爆破，实现果壳和内皮一次脱除，考虑到澳洲坚果壳较厚，本设计初始先

36、对澳洲坚果进行滚压开槽处理。 该设备的大致工艺流程为: 澳洲坚果从入口处经进料阀进入蒸气压力容器，在一定温度和压力下，由螺旋输送装置推到另一端，经出料阀进入壳、仁分离器进行分离，这种技术设备的脱壳率据称较高。2.4 澳洲坚果物理参数的确定2.4.1 澳洲坚果的几何尺寸 Y X 图2-2 实物尺寸及几何坐标 2.4.2 澳洲坚果的体积 由于澳洲坚果的形状对破壳力的大小无显著的影响，可以把澳洲坚果的形状简化成球形，体积为球形体积的。计算如下： (2-1) = =2.4.3 澳洲坚果质量的确定 由于地方气候条件差异28份种质中大部分果实形状为卵圆形，大小在15.0-20.0 g ，果仁颜色以乳黄色和

37、乳白色为主，大小在2.0-3.0 g ，出仁率在31.0% - 37.0% ，一级果仁率在88.0% - 98.0%。 为了使模拟的效果更佳接近实际值，及考虑的模拟的可行性和方便性，取澳洲坚果平均干重 18 g。2.4.4 澳洲坚果密度1. 果壳：类比木材，将果壳的弹性模量取为120Mpa，泊松比取为0.68，密度为820 ，这样就赋予了材料的属性。2. 果仁：弹性模量取为120Mpa，密度为940 kg/。2.4.5 坚果加热温度确定澳洲坚果深加工均不同程度地要对澳洲坚果进行干燥，如澳洲坚果的脱壳、澳洲坚果粉制品、澳洲坚果配料制品、澳洲坚果保存等，而澳洲坚果对干燥温度十分敏感，控制不好会使澳

38、洲坚果褐变、熟化，影响产品品质，所以澳洲坚果的干燥就成为了澳洲坚果深加工中关键的单元操作之一。同时干燥也将为澳洲坚果保藏开辟一条新的途径。澳洲坚果的干燥是一个复杂的热、质传递过程，在此过程中常伴随着物理、化学和生物等方面的变化，而这些变化又与其干燥失水特性密切相关。利用传热传质模型来分析特定品种澳洲坚果的干燥过程，描述其失水特性的数学规律，对其干燥的工艺设计、参数选择及过程控制等有重要意义。加热温度对澳洲坚果的破壳性能和栗仁的质量有很大的影响。经实验测定：从常温到60 干燥条件下，中等含水量10(w.b.)的澳洲坚果果仁还原糖的变化都不明显，在0.0320.052范围内。而当温度从60 升高到

39、70 时，10含水量的澳洲坚果果仁还原糖的变化十分明显，从0.052快速升至0.124。在较高温度(70 )下，可能是水分快速地除去后导致表面变硬，阻碍果仁剩余水分的失去，内部果仁含水量比表面高。因此，水溶性糖就向着果仁内部移动，还原性糖就能够大量产生，非酶促褐变反应相应地强烈发生，内部果仁褐变比外部要显著。当温度快速升高时，还原性糖大量生成，褐变也明显变化，导致果仁质量严重下降。因此，在升温阶段的干燥温度最好选用50 ，不宜超过60 。因此，为了既提高澳洲坚果的加热干燥速度，提高干燥速率，又不影响澳洲坚果品质，我们可以选择在60条件下加热来干燥澳洲坚果。这样澳洲坚果也不会被熟化，果仁也不会产

40、生褐变，干燥的时间也不是很长。采用逐渐加温的方法，对增加澳洲坚果外壳温度（热）应力，达到有效能量破壳的目的是十分有利的。 2.4.5 坚果破壳含水率变化澳洲坚果在能量破壳机械中被加热的过程中，其内部同时发生着质量传递和热量传递两种复杂的过程。其温度的变化是由外向内传导且逐渐增大的过程，而澳洲坚果内部的湿度即水分分布是由内向外扩散且逐渐减小的过程。两者过程进行方向截然相反，并且自然而然澳洲坚果内部的温度梯度和湿度梯度方向相反，这使得澳洲坚果干燥过程中其内部的热量传递和质量传递的模拟工作带来了一定的复杂性，因此，为了简化模型，在模拟澳洲坚果被加热过程中其内部的湿度分布时先暂不考虑温度对其的影响。

41、考虑到目前澳洲坚果的实验部分及相关论文主要是在常压干燥方面，所需时间较长，该文力求在高压短时间达到破壳的目的，故对于与实验结果的最终比较拟合，只考虑澳洲坚果最后最后含水率是否满足实际破壳要求即可一般破壳前的果仁水分含量一般控制在2%一5%就可以破壳，但破壳后的果仁要立即干燥至含水量1.5%左右才适于贮存或以后的炒制加工，取为4%。刚开始澳洲坚果内部的含水率大约为24%，随着加热的进行，澳洲坚果的水分不断的蒸发，最终澳洲坚果的栗仁的含水率基本保持不变，趋近于9 %，由于壳体在最外面，水分蒸发的比较的快，最后和箱内空气的含湿量达到动态的平衡为4%。2.4.6 坚果破壳过程产生内压力（蒸汽场）由上面

42、的分析可以知道澳洲坚果初始的含水率大约为24%，当加热20分钟左右时，澳洲坚果的含水量趋于稳定，最终的含水率大约为10%，则澳洲坚果蒸发的水分的质量为 m=M(24%-9%) =1815 % = 2.7 g （2-2）由于澳洲坚果外壳是由纤维素组成的，分子之间存在着间隙，水蒸气会从间隙向外扩散，假设水蒸气以均匀的速度向外扩散，经查资料，取水蒸汽的泄露速率为0.00074999g/s。则剩下的水蒸气的质量为 （2-3） （2-4）蒸发的水分变成水蒸气均匀的充满栗仁和果壳之间的缝隙，为了简化模型，假设水蒸发产生的内压力是均匀分布的，则由公式 （2-5）其中 （2-6） 计算得出：P=2.278Kp

43、a，计算压力远小于加载压力，故忽略不计。 2.5 小结澳洲坚果基本物性参数：名称尺寸直径壳厚30 mm2 mm体积1.41410mm质量18 g外壳密度820果仁密度940弹性模量120MPa泊松比0.68 3 澳洲坚果能量破壳物理及数学模型澳洲坚果能量破壳的动力原理在于高压状态下热量导入坚果后，坚果壳水分不断被干燥蒸发，温、湿度梯度的出现使坚果壳承受着一定的热、湿应力作用。同时，果仁内部的水分也不断向外扩散；果仁因失而收缩，与果壳自行分离，壳、仁 之间出现一定的间隙；由于果壳致密，果仁水分扩散到壳仁间隙气化后无法及时逸出，突然卸压作用又使壳外压力降低，致使果壳还承受着一定的压差力作用。 由此

44、可见，澳洲坚果能量破壳过程中果壳主要受以下 4 方面的载荷作用：因加热温度梯度引起的热应力；因水分扩散湿分梯度引起的湿应力；壳内水蒸气与壳外常压引起的压差作用力，壳内加压与壳外常压引起的压差作用力。为获得热、湿应力，需先求解得到澳洲坚果的温、湿度场。3.1 几何模型 为方便处理，认为所研究的澳洲坚果为规则球形，采用solidworks 2014进行建模，澳洲坚果几何模型简图简图3-1所示，模型包括果壳和果仁两部分，其球半径为15mm，果壳厚2mm。 图3-1 澳洲坚果几何模型简图然后倒入ANSYS Workbench进行相关有限元分析。 三维模型的建立过程模型树和三维模型图如图3-2和图3-3

45、所示。 图3-2 模型树图 图3-3 三维模型图3.2 热质传递模型 在求解澳洲坚果能量破壳热质传递数学方程时作如下假设910： 澳洲坚果为各向同性的常物性均匀连续体 忽略澳洲坚果的收缩与变形，果壳与果仁紧密接触 初始时澳洲坚果中的温度和含水率分布均匀，不存在温、湿度梯度 基于上述假设，澳洲坚果加热的过程中，澳洲坚果的传热过程满足傅里叶定律（Fouriers law of heat conduction），即在导热过程中，单位时间内通过给定截面的到热量，正比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。应用傅里叶定律可得澳洲坚果的传热方程如下： （3-1） a澳洲坚果的热扩散系数，m2/s t时间，s T澳洲坚果内某处的温度，K 同理，应用费克定律可得其传质方程为：