西瓜压缩及蠕变特性的研究

论文摘要

西瓜的采收、贮藏、运输对其破损率均有很大影响。为了确保西瓜贮运、生产、加工、设计的合理性,需对西瓜的承载能力和抗冲击能力进行有效的定量分析,并深入研究西瓜的力学特性和损伤机理。利用力学特性来指导西瓜检测分级,进一步完善西瓜品质评价体系,从而为西瓜的采收、分级、贮运等提供一定的理论指导和数据支持,对减少西瓜腐烂损失,延长鲜食品种供应期有着重要的意义。鉴于目前西瓜贮运损伤引起品质下降的问题,针对国内外西瓜力学损伤研究中存在的不足,本文提出根据西瓜的压缩特性和蠕变特性对其进行研究,通过对自然状态下完整西瓜进行压缩试验、蠕变试验和随贮藏时间变化的蠕变特性与品质关系的试验研究,并在此基础上利用有限元法对西瓜的力学特性进行了仿真。通过试验研究和理论分析,得到如下结论:1.在自然状态下对完整西瓜进行了压缩试验,获得了不同温度、不同硬度、不同速度条件下西瓜不同压缩部位的力—变形曲线并对其曲线进行了分析,从曲线反映出有两个可见特征点:生物屈服点和破裂点,获得了沿瓜梗垂直压缩的破坏极限比水平受压的要大。2.由曲线及对曲线拟合得到了不同条件下压缩特性参数:生物屈服极限、变形能、破坏极限、破坏能和刚度,分别获得了不同温度、硬度和速度条件下西瓜瓜梗水平受压的刚度范围20.6～42.5 N/mm,垂直受压的刚度范围27.9～62.3 N/mm;瓜梗水平受压的破坏极限范围845～1940 N,垂直受压的破坏极限范围1077～2432 N;瓜梗水平受压的破坏能范围8.3～60.4 N·m,垂直受压的破坏能范围16.4～68.7 N·m,对西瓜采收、贮运、收获和加工机械的设计提供理论指导和数据支持。3.研究了不同条件对压缩特性参数的影响并对其进行了方差分析,得到了温度、速度、硬度对压缩特性参数的影响都呈极显著差异(显著性概率Sig.值<0.01)。压缩特性参数之间具有一定的相关性。4.对西瓜的损伤机理进行了分析。西瓜瓜梗水平受压,最大力是在赤道平面的表皮处,方向沿子午线方向,裂纹沿子午线方向扩展。瓜梗垂直受压,瓜皮从瓜梗开始破裂,裂纹沿子午线方向。这说明最大力是造成西瓜在压缩载荷作用下产生破裂的原因,可用最大力来解释西瓜宏观破坏的机理。5.建立了压缩特性参数预测西瓜损伤体积和品质的数学模型,经方差分析所建数学模型有意义,说明用压缩特性参数可以预测西瓜的品质和损伤程度。6.运用有限元法建立西瓜的压缩模型,比较西瓜水平受压的试验值和仿真值,二者最大差异是10%;研究西瓜瓜梗垂直和水平受压的承载特性,验证了仿真数值解的可行性。结果表明:在相同压力作用下,西瓜瓜梗垂直放置时,其受压的应力和应变都小于水平受压的情况。研究结果可为西瓜的贮藏、运输和加工等提供理论依据。7.获得了不同加载力、不同温度和不同硬度的蠕变曲线和相应的蠕变特性参数(γ0、γ1、Trel、η2),建立了西瓜的蠕变模型为四元件Burgers模型和相应的本构方程:分析了不同加载力、温度和硬度对西瓜蠕变曲线、蠕变参数的影响,蠕变参数对蠕变曲线的影响和蠕变参数之间的相关性。并对该本构方程计算的西瓜蠕变结果与本试验结果进行了模拟,误差在5%以内,验证了理论结果的正确性。8.在不同载荷作用下,西瓜的蠕变速率和蠕变变形均有所不同,载荷越大,蠕变速率越快,相应变形也越大,达到极限变形值时西瓜产生损伤,所以可用临界变形来解释西瓜的蠕变损伤机理。9.获得了不同温度、不同硬度和不同载荷下西瓜品质(TSS、PH等)、蠕变及相应的蠕变特性参数随贮藏时间变化的曲线并分析了其变化的原因;建立了蠕变参数随贮藏时间变化的数学模型、蠕变参数预测西瓜品质的数学模型。将其蠕变参数和西瓜品质的相关性进行了分析,用蠕变参数预测西瓜的品质和贮藏时间,从而无损评定西瓜品质,提高产品质量,进一步设法减少西瓜损伤。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 西瓜营养价值、栽培特性、经济价值及生产现状
• 1.2 本研究的目的和意义
• 1.3 国内外西瓜研究现状
• 1.3.1 国外西瓜研究现状
• 1.3.2 国内西瓜研究现状
• 1.4 相关领域的研究现状及可借鉴的方法、理论
• 1.4.1 压缩特性研究现状
• 1.4.2 流变学研究现状
• 1.4.3 果蔬机械损伤的研究现状
• 1.4.4 现有的损伤评价指标
• 1.4.5 水果、蔬菜有限元模型的研究现状
• 1.5 存在的问题
• 1.6 研究的内容及目标
• 2 西瓜的压缩特性及其有限元分析
• 2.1 试验方案
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 西瓜压缩试验、品质测试系统流程
• 2.1.3 压缩试验及品质测试装置
• 2.1.4 试验因素及水平选择
• 2.1.5 试验方法
• 2.1.6 试验指标
• 2.2 试验结果与分析
• 2.2.1 西瓜压缩试验的力—变形曲线分析
• 2.2.2 不同受压部位对西瓜压缩特性的影响
• 2.2.3 加载速率对西瓜压缩特性的影响
• 2.2.4 硬度对西瓜压缩特性的影响
• 2.2.5 温度对西瓜压缩特性的影响
• 2.3 整体西瓜刚度、变形能、破坏能的计算及拟合曲线
• 2.4 硬度、温度和加载速率对西瓜压缩特性参数的影响
• 2.4.1 载荷、速率、硬度对刚度K 的影响及差异分析
• 2.4.2 载荷、速率、硬度对生物屈服极限、变形能的影响及差异分析
• 2.4.3 载荷、速率、硬度对破坏极限的影响及差异分析
• 2.4.4 温度、压缩速率、硬度对破坏能的影响及差异分析
• 2.4.5 压缩特性参数相关性分析
• 2.5 西瓜的机械损伤
• 2.5.1 西瓜的机械损伤裂纹分析
• 2.5.2 西瓜的损伤体积
• 2.5.3 损伤体积与压缩特性参数的关系
• 2.5.4 温度、加载速率、硬度、部位对损伤体积影响及差异分析
• 2.6 西瓜品质指标与压缩特性的关系
• 2.6.1 预测可溶性固形物TSS 的多元回归方程
• 2.6.2 预测PH 的多元回归方程
• 2.6.3 预测含水量WT 的多元回归方程
• 2.7 西瓜力学特性的有限元分析
• 2.7.1 西瓜的几何模型与有限元分析
• 2.7.2 西瓜的有限元受力分析
• 2.7.3 西瓜不同部位受压的对比分析及损伤模拟
• 2.8 小结
• 3 西瓜蠕变及影响因素的试验研究
• 3.1 西瓜蠕变试验
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验条件及测试系统
• 3.1.3 试验对象和因素水平选择
• 3.1.4 试验方法
• 3.1.5 试验指标
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 不同载荷下的蠕变特性曲线
• 3.2.2 不同温度下的蠕变特性曲线
• 3.2.3 不同硬度的蠕变特性曲线
• 3.2.4 外载荷对蠕变的影响
• 3.3 西瓜蠕变模型的选择及其本构方程
• 3.3.1 西瓜蠕变特征
• 3.3.2 西瓜蠕变模型
• 3.3.3 西瓜蠕变模型的本构方程
• 3.4 硬度、温度及载荷对蠕变特性参数的影响
• 0 的影响'>3.4.1 对瞬时刚性系数γ₀的影响
• 1 的影响'>3.4.2 对延迟刚性系数γ₁的影响
• 3.4.3 对延迟时间Trel 的影响
• 2 的影响'>3.4.4 对粘性系数η₂的影响
• 3.4.5 蠕变特性参数的相关性分析
• 3.5 温度、硬度、载荷对西瓜蠕变特性参数影响的差异分析
• 3.6 蠕变特性参数对蠕变曲线的影响
• 3.7 小结
• 4 西瓜蠕变特性与品质变化关系的试验研究
• 4.1 试验对象及因素水平选择
• 4.2 试验方法
• 4.3 试验指标与方法
• 4.3.1 蠕变试验指标
• 4.3.2 测试指标与方法
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 西瓜品质变化测定时室温记录
• 4.4.2 室温贮藏条件对西瓜质量损失的影响
• 4.4.3 西瓜贮藏过程中可溶性固形物TSS 含量的变化
• 2）含量的变化'>4.4.4 西瓜贮藏期间呼吸强度（CO₂）含量的变化
• 4.4.5 西瓜贮藏过程中硬度的变化
• 4.4.6 西瓜贮藏过程中含水量WT 的变化
• 4.4.7 西瓜贮藏过程中总糖TS 的变化
• 4.4.8 西瓜贮藏过程中PH 值的变化
• 4.4.9 品质指标的相关性分析
• 4.5 室温贮藏条件下西瓜静载蠕变特性的变化
• 4.6 西瓜蠕变特性参数的变化
• 4.6.1 室温贮藏条件下蠕变参数随贮藏时间的变化规律
• 4.6.2 蠕变参数随时间变化的数学模型
• 4.6.3 蠕变特性参数的相关性
• 4.6.4 西瓜蠕变特性四参数与西瓜品质指标等参数的相关性
• 4.7 蠕变参数预测品质指标和生理指标变化的数学模型
• 4.7.1 蠕变参数预测总糖（TS）的多元线性回归方程
• 4.7.2 蠕变参数预测可溶性固形物的多元线性回归方程
• 4.7.3 蠕变参数预测 PH 值的多元线性回归方程
• 2 的多元线性回归方程'>4.7.4 蠕变参数预测呼吸强度 CO₂的多元线性回归方程
• 4.7.5 蠕变参数预测含水量（WT）的多元线性回归方程
• 4.8 小结
• 5 结论
• 6 建议与展望
• 7 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介