新疆薄皮核桃壳脆裂断面细胞变异及各向异性破碎机理

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
31160196
项目类别：
地区科学基金项目
资助金额：
45.0万
负责人：
张宏
依托单位：
塔里木大学
学科分类：
C1001.生物力学与生物流变学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
马少辉；李平；孙永华；张锐利；张有强；
关键词：
核桃壳破碎机理板壳理论脆裂机理

项目摘要

南疆为国际薄皮核桃主产区，薄皮核桃壳仁机械化分离一直困扰核桃深加工，目前仍以手工砸取为主。为实现薄皮核桃能顺利地进行机械剥皮，以薄皮核桃壳细胞阵列走向入手，建立核桃壳细胞的空间模型；再对研究细胞的各向异性纹理走向进行定量分析；确定核桃壳最佳受力点作用下裂解的走向，找出整体裂解的纹理分布；探讨核桃壳开裂时脆裂断面细胞的变化机理，建立基于板壳理论的薄壳核桃壳的力学模型，运用实体显微技术和断面扫描技术获取核桃脆裂过程的实验结果，为建立力学特性方程提供实验验证数据，并修整模型对核桃壳受力变形方程进行重构；在数值解下，从核桃壳应力分布找到裂解走向的数值解，在显微裂纹分析的实验图像基础上，找出核桃壳断裂力学裂纹的萌生-扩展-脆裂的机理及规律，提出核桃纹理对破碎影响结果，为核桃破壳及壳仁分离奠定力学理论基础和实验台。而利用板壳理论研究核桃剥壳中涉及的基础理论，则可以为壳类果实的生物力学提供研究方法。

结项摘要

从壳体微观研究出发，通过纳米压痕实验、切片实验、电镜实验、体视显微镜等试验检测，着手探讨核桃壳体结构和裂纹发生的机理。结果发现核桃壳石细胞排列致密，且其胞壁壁厚由内向外逐渐加厚。石细胞排列按纹路呈网状结构，也存在独特的蜂巢结构。观察缝合线断口形貌，发现其石细胞以单层薄壁细胞按照多层交错的形式排列，且各细胞层之间呈纵向排布与横向排布相交替的形式存在。此处可清晰观察到细胞胞壁断裂与细胞胞间断裂两种断裂特征，且细胞层间存在极为明显的缺陷与孔洞结构，属薄弱环节。核桃缝合线的外表面长有凹凸条纹状，部分条纹以梭状石细胞组存在。核桃壳缝合线的内表面石细胞组织结构极为凌乱，属尚未成形状态。故核桃壳缝合线的力学承载能力极弱，属于力学缺陷区。.从微观细胞结构出发，研究多孔结构核桃壳的力学性能。结果表明核桃壳的弹性模量和硬度内层低外层高。核桃壳断面 A 和 C 区细胞壁弹性模量分别为 6.409 和 7.791Gpa，其值与早材弹性模量接近，属初生木质结构材料。将核桃壳石细胞看作十四面体胞体，分析此多孔材料的拉伸和压缩性能。结果发现核桃石细胞层相对密度越大，其的弹性模量和屈服应力越大，壳体内应力值越大。核桃胞体内含有纹孔与微小裂隙，削弱了壳体的拉伸强度，发生复合式断裂。.从壳体力学角度,研究核桃壳的力学性能。以无力矩理论为基础，将核桃壳近似为球壳，分析一对集中力作用下球壳的内力与位移，发现集中力作用下壳体的法向位移远大于经向位移，且法向位移越大壳体内力越大，越易于发生破裂。因此，集中力作用点是壳体的破裂源。基于前期研究，从壳体力学角度分析核桃处于集中力与圆环力的压缩特性，发现壳体受载作用线处的绝对位移量、内力和力矩均大于非载荷作用区的绝对位移量、内力和力矩。剪切力对壳体破裂起关键作用，其沿壳体弱区首先引起破裂生成裂纹。