基于流固耦合的鸡蛋跌落冲击力学特性有限元分析

论文摘要

鸡蛋作为人们日常生活中具有较高营养价值的主要食品之一,在频繁的搬运和市场贩卖过程中极易碎裂受损。由于其具有易滚落和易碎的特点,从鲜蛋的收集、分级、包装、加工、储藏到运输交易,都要防止跌落碰撞所导致的蛋品损失。日常生活中蛋类的破损大多是由于动载造成的,本文基于流固耦合原理建立鸡蛋的有限元模型,分析鸡蛋跌落碰撞过程中的动态力学特性。本文通过跌落实验,分析了不同冲击部位、不同跌落高度以及不同缓冲材料对鸡蛋跌落碰撞过程中受力情况的影响,为有限元模型的建立提供数据参考。在鸡蛋几何模型的建立过程中,利用3DCaMega五轴全自动光学扫描系统扫描鸡蛋外形,简化了建模过程。基于流固耦合原理建立鸡蛋的有限元模型,将蛋壳与内部流体部分分别建模,经过耦合求解对实验中的鸡蛋跌落情况进行仿真,并通过与实验结果的对比加以验证。基于流固耦合模型求得鸡蛋在某种特定缓冲材料上的极限高度,为蛋品减损研究和鸡蛋加工设备的优化设计提供了理论基础。本文的创新点在于通过逆向工程,扫描鸡蛋外形,得到鸡蛋的几何模型。利用流固耦合理论,建立鸡蛋的有限元模型,讨论鸡蛋在跌落过程中的受力情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 鸡蛋力学特性的研究现状
• 1.2.2 有限元分析在农产品力学特性研究中的研究现状
• 1.2.3 流固耦合问题的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 理论基础及应用
• 2.1 物体跌落冲击的相关理论
• 2.1.1 物体跌落冲击原理
• 2.1.2 发生碰撞时刻的应力分析
• 2.1.3 动态分析的有限元算法
• 2.2 流固耦合相关理论
• 2.2.1 流固耦合基本概念
• 2.2.2 ALE法基本概念
• 2.3 ADINA有限元分析软件的基本原理
• 3 鸡蛋跌落冲击实验及分析
• 3.1 鸡蛋跌落的实验设计
• 3.1.1 研究对象和试验材料
• 3.1.2 鸡蛋跌落实验方案
• 3.1.3 鸡蛋跌落实验设备
• 3.2 鸡蛋跌落实验分析
• 3.2.1 不同冲击部位的跌落实验
• 3.2.2 不同高度的跌落实验
• 3.2.3 不同缓冲材料上的跌落实验
• 3.3 本章小结
• 4 鸡蛋流固耦合模型的分析
• 4.1 鸡蛋数值模型描述
• 4.1.1 旋转薄壳理论
• 4.1.2 鸡蛋数值模型描述
• 4.1.3 鸡蛋碰撞力学系统的描述
• 4.2 鸡蛋流固耦合系统有限元模型的建立
• 4.2.1 鸡蛋几何模型的建立
• 4.2.2 鸡蛋材料参数的确定
• 4.2.3 缓冲材料力学特性的测量
• 4.2.4 鸡蛋各部分单元类型的选择
• 4.2.5 鸡蛋模型的网格划分及边界条件
• 4.2.6 鸡蛋结构模型和流体模型的建立
• 4.3 模型仿真值与试验值对比
• 4.4 基于鸡蛋有限元模型的跌落极限高度分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 6 参考文献
• 7 致谢