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2016機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)開題報(bào)告范文
論文題目：基于有限元分析的核桃剝殼技術(shù)研究
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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值，相當(dāng)于雞蛋2500克，牛奶4750克或豬肉1500克，可見，核桃的營(yíng)養(yǎng)值價(jià)是相當(dāng)可觀的。
隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加，如何對(duì)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(guó)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(jià)等方面滿足不了要求。核桃與其他堅(jiān)果在結(jié)構(gòu)上存在著很大的區(qū)別.而且目前國(guó)內(nèi)外對(duì)核桃機(jī)械特性與破殼機(jī)理的研究相對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)核桃進(jìn)行分級(jí);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(duì)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(guó)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(gè)重要指標(biāo).而影響這兩個(gè)性能的關(guān)鍵是剝殼方式(吳斌芳等1996)。對(duì)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(huì)造成對(duì)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(gè)值得探索的方向(史建新等2001年)。
2 .1.1核桃分級(jí)裝置
核桃分級(jí)裝置是定間隙擠壓破殼機(jī)的必要裝置，對(duì)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(huì)被擠碎，尺寸小了殼破不開，常見的核桃分級(jí)裝置有以下幾種：
(1)錐輥式分級(jí)裝置
(2)圓孔篩分級(jí)裝置
(3)平面振動(dòng)篩分級(jí)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(duì)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(guó)內(nèi)尚未見到好的分離方法和分離設(shè)備的報(bào)道，而國(guó)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(duì)于加工能力有限的工廠和個(gè)人來說，是很難接受的。以下對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和方法進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析、電磁學(xué)中的電磁場(chǎng)分析、振動(dòng)特性分析、傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析、流體力學(xué)中的流場(chǎng)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(gè)、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(gè)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(gè)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(shí)間，所以商用程序之間的相互競(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計(jì)算機(jī)化的畫圖和設(shè)計(jì)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(gè)應(yīng)力場(chǎng)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(jiān)果力學(xué)分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，為堅(jiān)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(duì)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(jiǎn)化成各項(xiàng)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(duì)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(duì)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(duì)松籽殼體工程特性參數(shù)的測(cè)試和靜力有限元計(jì)算拿得出有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)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(cè)水果的堅(jiān)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(jiān)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(jiān)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(duì)蓮子在該3種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析計(jì)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(zhǎng)軸均布的線載荷，這時(shí)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(duì)研究對(duì)象進(jìn)行應(yīng)力的虛擬研究是可行的。并且能夠通過對(duì)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(shì))
分析國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)核桃的最佳破殼位置進(jìn)行分析計(jì)算，從而達(dá)到對(duì)核桃剝殼技術(shù)的研究。
研究?jī)?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(duì)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
(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(duì)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)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(shí)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(duì)稱性，進(jìn)行受力分析時(shí)可采用l/2的對(duì)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(guó)際單位制，通過對(duì)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(jì)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(duì)兩個(gè)加載方位的三種加載方式進(jìn)行對(duì)比研究。
1) 核桃長(zhǎng)軸方向施加集中載荷
2) 核桃長(zhǎng)軸方向施
加均勻線載荷
3) 核桃長(zhǎng)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?cè)茍D，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(shí)，經(jīng)過查閱相關(guān)書籍與文獻(xiàn)資料，熟悉了國(guó)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(jì)算機(jī)，可以運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。
(3)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室能夠提供實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器，能夠得到完整的數(shù)據(jù)。
(4)本課題是核桃剝殼機(jī)的一部分，參加的同學(xué)還有黃石磊、白亞鵬兩位同學(xué)，他們的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)幫助以及徐紅梅老師的指導(dǎo)將提供很大的幫助。
研究計(jì)劃及預(yù)期成果
研究計(jì)劃
2010.12.24 下達(dá)學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書;
2010.12.25—2011.01.15 查閱文獻(xiàn)資料，撰寫外文翻譯和開題報(bào)告書;
2011.01.16—2011.03.10 學(xué)習(xí)ANSYS軟件;
2011.03.11—2011.05.20 建立核桃破殼的有限元模型，分析其力學(xué)特性，完成試驗(yàn)論文的撰寫;
2011.05.21—2011.06.01 修改論文，做好答辯的準(zhǔn)備工作。
預(yù)期成果
(1) 通過有限元分析得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，來用于后續(xù)的處理
(2) 通過分析數(shù)據(jù)，論文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。
參考文獻(xiàn)
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