機(jī)械設(shè)計制造專業(yè)開題報告

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2016機(jī)械設(shè)計制造專業(yè)開題報告范文

　　論文題目：基于有限元分析的核桃剝殼技術(shù)研究

2016機(jī)械設(shè)計制造專業(yè)開題報告范文

　　1、課題的目的和意義

　　1畢業(yè)論文課題的目的和意義

　　核桃又名胡桃、羌桃、合桃等，享有“長壽果”之美譽(yù)，是理想的滋補(bǔ)食品。所含的脂肪蛋白質(zhì)量多質(zhì)優(yōu)，還含有糖分、多種維生素、鈣、磷、鎂、鉀、錳、路等礦物質(zhì)，以及躁質(zhì)、纖維素、戊聚糖等。據(jù)分析：500克核桃肉的營養(yǎng)價值，相當(dāng)于雞蛋2500克，牛奶4750克或豬肉1500克，可見，核桃的營養(yǎng)值價是相當(dāng)可觀的。

　　隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加，如何對核桃進(jìn)行深加工，以提高它的附加值等問題就突現(xiàn)出來。核桃脫殼取仁是核桃深加工的第一步，必須首先解決。核桃剝殼技術(shù)的水平，直接影響到核桃的脫殼質(zhì)量，進(jìn)而影響到核桃的進(jìn)一步加工。

　　由于核桃形狀不規(guī)則、尺寸差異較大、殼仁之間間隙小，殼完全破裂所要求的變形量大。目前國內(nèi)使用的機(jī)械破殼裝備由于施力方式不合理，果仁的破碎率較大，脫殼率、整仁率及設(shè)備性價等方面滿足不了要求。核桃與其他堅果在結(jié)構(gòu)上存在著很大的區(qū)別.而且目前國內(nèi)外對核桃機(jī)械特性與破殼機(jī)理的研究相對較少(丁正耀等，2010)。用一般的機(jī)械擠壓方法破殼必將造成大量的碎仁，對于固定擠壓間隙的破殼裝置來說，擠壓間隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一開度內(nèi)破殼，會出現(xiàn)小尺寸核桃難以破殼而大尺寸核桃仁的破碎率高的現(xiàn)象。因此為了很好的破殼而又保證仁不破碎，就需要：① 擠壓間隙與核桃尺寸相適應(yīng)，有必要在破殼前對核桃進(jìn)行分級;②合理施力使核桃產(chǎn)生裂紋且變形量小，這是提高核桃破殼機(jī)破殼質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因此有必要對核桃的施力方式及結(jié)果進(jìn)行有限元受力分析;③裂紋的擴(kuò)展是核桃完全破殼的基本條件，按核桃正確姿態(tài)喂人進(jìn)行破殼是裂紋擴(kuò)展的條件，有必要進(jìn)行破殼前的導(dǎo)向(史建新等，2005)。

　　2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1核桃剝殼技術(shù)

　　核桃的一次剝殼率和高露仁率是衡量剝殼取仁機(jī)性能的兩個重要指標(biāo).而影響這兩個性能的關(guān)鍵是剝殼方式(吳斌芳等1996)。對于核桃剝殼技術(shù)，剝殼機(jī)可以代表技術(shù)的發(fā)展。一般來說核桃破殼取仁有這樣幾種方法：1、離心碰撞式破殼法2、化學(xué)腐蝕法真空破殼取仁法3、超聲波破殼法4、定間隙擠壓破殼法。第一種方法，碎仁太多，所以應(yīng)用很少;第二種方法，由于在實(shí)際操作中不好控制，仁易受到腐蝕，處理不好還會造成對環(huán)境的污染，因此人們不接受;第三，四種方法設(shè)備昂貴，破殼成本高，且破殼效果不夠理想;第五種方法是一個值得探索的方向(史建新等2001年)。

　　2 .1.1核桃分級裝置

　　核桃分級裝置是定間隙擠壓破殼機(jī)的必要裝置，對于具有固定間隙的核桃破殼機(jī)來說，物料尺寸必須與固定間隙的大小相適應(yīng)，尺寸大了仁會被擠碎，尺寸小了殼破不開，常見的核桃分級裝置有以下幾種：

　　(1)錐輥式分級裝置

　　(2)圓孔篩分級裝置

　　(3)平面振動篩分級裝置

　　2.1.2核桃剝殼裝置

　　目前,核桃破殼機(jī)的種類較少,大多采用定間隙多點(diǎn)擠壓破殼。這種破殼方式存在一些不足,高路仁比率與破殼率不能兼顧,所以綜合破殼效果不理想(董遠(yuǎn)德等，2007)。核桃破殼裝置是核桃破殼取仁機(jī)的核心裝置常見的破殼裝置有以下幾種：

　　(1)對輥窩眼式開口裝置

　　(2)雙齒盤齒板式破殼裝置

　　(3)變形恒定破殼裝置

　　(4)內(nèi)外磨核桃破殼裝置

　　(5)圓盤破殼裝置

　　(6)弧板滾筒破殼裝置

　　(7)核桃鋸口破殼裝置

　　(8)沖壓式破殼裝置

　　(9)核桃破殼挖核裝置

　　2.1.3殼仁分離裝置

　　殼仁分離問題是核桃破殼取仁的難題之一。論文目前國內(nèi)尚未見到好的分離方法和分離設(shè)備的報道，而國外雖然很好地解決了殼仁分離的問題，但設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜，對于加工能力有限的工廠和個人來說，是很難接受的。以下對現(xiàn)有設(shè)備和方法進(jìn)行簡單介紹。

　　2.1.3.1機(jī)械法分離殼和仁

　　目前利用機(jī)械法分離殼和仁的裝置主要有以下三種：

　　(1) 絨輥分離殼仁

　　(2) 帶式分離殼仁

　　(3) 輪齒撥殼分離殼仁

　　2.1.3.2磁選法分離殼和仁

　　(1)絨輥分離殼仁

　　(2)帶式分離殼仁

　　(3)輪齒撥殼分離殼仁

　　2.1.3.3磁選法分離殼和仁

　　由上述可以看出：核桃剝殼技術(shù)隨著需求的變化越來越多樣化，剝殼技術(shù)也越來越多樣化。但由于核桃的品種多樣化及核桃外形的不規(guī)則，導(dǎo)致核桃的剝殼效率仍不能滿足人們的需求。

　　2.2有限元分析

　　2.2.1有限元機(jī)理

　　有限元法也叫有限單元法(finite element method, FEM)，是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種彈性力學(xué)問題的數(shù)值求解方法。有限單元法(FEM)作為一種實(shí)用性很強(qiáng)的數(shù)值模擬方法，在許多工程分析中得到廣泛應(yīng)用，如固體力學(xué)中的位移場和應(yīng)力場分析、電磁學(xué)中的電磁場分析、振動特性分析、傳熱學(xué)中的溫度場分析、流體力學(xué)中的流場分析等。這些問題的共同點(diǎn)是它們都可以歸結(jié)為在給定邊界條件下求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的問題。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元(Element )的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。

　　在實(shí)踐中，有限元分析法通常由三個主要步驟組成(David Roylance 2001)：

　　1、預(yù)處理：用戶需建立物體待分析部分的模型，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個離散的子區(qū)域——或稱為“單元”。各單元在一些稱為“結(jié)點(diǎn)”的離散點(diǎn)上相互連接。這些結(jié)點(diǎn)中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準(zhǔn)備這樣的模型可能極其耗費(fèi)時間，所以商用程序之間的相互競爭就在于：如何用最友好的圖形化界面的“預(yù)處理模塊”，來幫助用戶完成這項繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計算機(jī)化的畫圖和設(shè)計過程的組成部分，可在先前存在的CAD文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。

　　2、分析：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構(gòu)成并求解用線性或非線性代數(shù)方程表示的系統(tǒng)。

　　式中，u 和 f 分別為各結(jié)點(diǎn)的位移和作用的外力。矩陣 K 的形式取決于求解問題的類型，本模塊將概述桁架與線彈性體應(yīng)力分析的方法。商用程序可能帶有非常大的單元庫，不同類型的單元適用于范圍廣泛的各類問題。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是：許多不同類型的問題都可用相同的程序來處理，區(qū)別僅在于從單元庫中指定適合于不同問題的單元類型。

　　3、后處理：在有限元分析的早期，用戶需仔細(xì)地研讀程序運(yùn)算后產(chǎn)生的大量數(shù)字，即列出的模型內(nèi)各離散位置處的位移和應(yīng)力。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點(diǎn)，而最新的程序則利用圖形顯示來幫助用戶直接觀察運(yùn)算結(jié)果。典型的后處理模塊能顯示遍布于模型上的彩色等應(yīng)力線圖，以表示不同的應(yīng)力水平，顯示的整個應(yīng)力場的圖像類似于光彈性法或云紋法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　2.2.2 有限元的應(yīng)用

　　目前，有限元方法在堅果力學(xué)分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，為堅果破殼設(shè)備的研制提供有效的理論

　　依據(jù)。吳斌芳等(1996)應(yīng)用薄殼理論和斷裂理論對綿核桃進(jìn)行力學(xué)分析，并通過試臉驗(yàn)證，得到了綿核桃機(jī)械剝殼取仁的重要參數(shù)。吳子岳(1995)將核桃殼簡化成各項同鄉(xiāng)性的均勻厚度的薄球殼，利用薄球殼理論進(jìn)行應(yīng)力和形變分析，得出兩對法向集中力有利于核桃殼完全均勻破裂的結(jié)理論。王靈軍等利用有限元方法分析了銀杏在各種施力狀態(tài)下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，找出了最佳的施力方向和施力方式，對脫殼設(shè)備的研制提供了理論的依據(jù)。攣玉振等(1994)通過對松籽殼體工程特性參數(shù)的測試和靜力有限元計算拿得出有限元計算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果數(shù)據(jù)相比誤差約為16%。

　　(H.Chen，J.De Baerdemaeker)利用有限元法檢測水果的堅度。把蘋果和菠蘿建立成為65節(jié)點(diǎn)48單元的模型，進(jìn)而分析水果的堅度。把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成為以楊氏模量為縱坐標(biāo)，水果堅度為橫坐標(biāo)的曲線圖，并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出結(jié)論。謝麗娟等(2006)建立了蓮子受靜態(tài)正壓力的有限元分析模型，設(shè)定了短軸方向加載集中力、加載均布的線載荷、加載一定區(qū)域內(nèi)的面載荷3種受力工況，對蓮子在該3種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析計算。分析結(jié)果表明，最佳脫殼的施力方式是在蓮子短軸方向加載沿長軸均布的線載荷，這時蓮子的應(yīng)力、應(yīng)變分布有一定方向性，有利于裂紋擴(kuò)展，使蓮子有效脫殼，從而為脫殼設(shè)備的研制提供了參考依據(jù)。

　　針對山核桃果殼完全破裂所需的變形量大于殼仁間隙，用一般的機(jī)械擠壓方法破殼會造成大量碎仁等問題。利用Pro/E軟件建立了山核桃的幾何模型。采用有限元分析方法構(gòu)建了山核桃破殼受力模型，并對山核桃進(jìn)行了受力機(jī)械剝殼取仁的重模擬與分析。根據(jù)不同受力方向和不同栽荷下山核桃的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，確定山核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳施力方式，為山核桃破殼取仁設(shè)備的研制提供依據(jù)(丁正耀等2010年)。

　　曹玉華等(2010)應(yīng)用有限元分析方法對蓖麻蒴果在壓載作用下頂部和中部的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，建立了蓖麻蒴果幾何模型和有限元模型.研究結(jié)果表明：蓖麻蒴果果殼破裂的主要原因是由最大拉應(yīng)力引起果殼破裂。頂部壓載荷作用時，最大拉應(yīng)力的位置在蒴果果柄頂部中縫處,拉應(yīng)力引起中果皮內(nèi)面產(chǎn)生裂紋;而中部壓載荷作用時，最大拉應(yīng)力的位置出現(xiàn)在蒴果中果皮中縫的兩端，拉應(yīng)力也引起中果皮四周角靠近直線處的內(nèi)面產(chǎn)生裂紋。

　　由以上研究可以得出這樣的結(jié)論：即使是很復(fù)雜的應(yīng)力問題的數(shù)值解，現(xiàn)在用有限元分析的常規(guī)方法就能得到。相比較普通的處理方法，有限元法有著更加優(yōu)越的效果。采用有限元方法建立模型，對研究對象進(jìn)行應(yīng)力的虛擬研究是可行的。并且能夠通過對模型的研究得出相應(yīng)的研究數(shù)據(jù)，從而為研究提供合理的數(shù)據(jù)來供參考。

　　3.總結(jié)(存在問題和發(fā)展趨勢)

　　分析國內(nèi)外的核桃剝殼技術(shù)，由于核桃的形狀的不規(guī)則、尺寸差異較大。造成目前多采用的機(jī)械破殼裝置的施力方式不合理，對于剝殼取仁存在許多的困難，容易造成破碎率，整仁率等不能滿足人們的需求。對于現(xiàn)存的核桃剝殼機(jī)械，都存在一定的技術(shù)缺陷，并且核桃的不同品種同樣存在不同的物理特性，這也給脫殼造成很多的困難。與普通的實(shí)驗(yàn)方法相比，采用有限元的方法能夠更加快速、便捷地得出結(jié)論。所以在本課題中，采用有限元作為基礎(chǔ)對核桃的最佳破殼位置進(jìn)行分析計算，從而達(dá)到對核桃剝殼技術(shù)的研究。

　　研究內(nèi)容

　　(1)采用ANSYS軟件建立核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，用結(jié)構(gòu)靜力分析的有限單元法,通過所建核桃的幾何模型和破殼的有限元模型,對核桃在幾種載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。

　　(2)找出核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳的施力方式，為高效剝殼機(jī)的研制提供參考依據(jù)。

　　擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析

　　1研究方法

　　(2)通過有限元分析找出了產(chǎn)生裂紋多且變形量較小的施力方式。

　　2 技術(shù)路線

　　2.1建立物理模型

　　建立幾何模型時就把截面分為兩部分，截面的建立是通過pro/e軟件繪制的，然后導(dǎo)入到有限元受力分析軟件ANSYS中，分兩次旋轉(zhuǎn)分別形成果仁和果殼。果仁單元類型采用固體結(jié)構(gòu)單元中的八節(jié)點(diǎn)殼體單元，果仁采用二十節(jié)點(diǎn)的六面體單元。

　　2.2建立有限元模型

　　由于果實(shí)結(jié)構(gòu)的對稱性，進(jìn)行受力分析時可采用l/2的對稱模型。物理模型的果仁和果殼分別進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分以后就成為有限元模型。

　　2.3核桃在不同載荷下有限元分析

　　在ANSYS分析中采用了統(tǒng)一的國際單位制，通過對核桃的1/2模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別設(shè)定六種邊界條件和載荷類型，分析計算核桃在不同受力工況下應(yīng)力、應(yīng)變等的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對兩個加載方位的三種加載方式進(jìn)行對比研究。

　　1) 核桃長軸方向施加集中載荷

　　2) 核桃長軸方向施

　　加均勻線載荷

　　3) 核桃長軸方向施加均布面載荷

　　4) 核桃短軸方向施加集中載荷

　　5) 核桃短軸方向施加均勻線載荷

　　6) 核桃短軸方向施加均布面載荷

　　2.4分析總結(jié)

　　獲取數(shù)據(jù)，通過分析各向變形云圖、等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖，總結(jié)出核桃裂紋方式和部位。通過比較各中情況，得出能夠取得最佳破殼率和整仁率的施力部位和方式。

　　3可行性分析

　　(1)在本科學(xué)習(xí)期間，已掌握材料力學(xué)、理論力學(xué)等的基礎(chǔ)知識，經(jīng)過查閱相關(guān)書籍與文獻(xiàn)資料，熟悉了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，這是進(jìn)行本試驗(yàn)的前提。

　　(2)能夠熟練使用計算機(jī)，可以運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。