3110100279竺涵宇生物物料应力松弛特性及其应用

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1、生物物料应力松弛特性及其应用3110100279 竺涵宇生物物料应力松弛特性及其应用生物物料应力松弛及应用生物物料应力松弛测量方法生物物料应力松弛影响因素生物物料应力松弛特性应用生物物料的声学特性l弹性、粘性和塑性是描述固体农业物料流变特性的三种基本性质。物体在外力作用下产生变形，其表现形式为变形和流动，其中流动又可分为粘性流动和塑性流动，l松弛模量是材料重要的粘弹性性质之一，应力松弛试验作为一种准静态的研究方法，可以研究材料随时间变化的性能。l弹性模量是物料突然形变到给定值保持不变，应力随时间变化的函数关系。是描述物料粘弹性的一个物理量。应力松弛生物物料的声学特性应力松弛l生物物料的应力松弛

2、特性不仅是设计有关加工机械、加工工艺的理论依据，而且可为减少农业及食品物料在收获、加工、贮存、装运等环节的机械损伤，提高其产品质量，探索新的控制方法和判断依据，提供最佳参数。生物物料的声学特性l设计机器及加工工艺上的应用l在水果、蔬菜等收获机械的设计与包装形式的选择时，需要了解其力学及动力学特性。在设计西红柿、黄瓜等蔬菜收获机中，工作部件对非刚体果实的冲击、果实的许可能量等是选择其工作部件运动参数的主要依据。用振动装箱法包装苹果时，必须对苹果的性能进行试验研究，使其变形在弹性范围内不产生水果的损伤。应力松弛生物物料的声学特性应力松弛l减少机械损伤上的应用l现代水果和蔬菜在机械化收获、运输和装卸

3、过程中不可避免地受到不同形式的碰撞，箱内的农产品还要受到静态挤压力或冲击载荷的作用，从而引起产品的机械损伤，为此会给社会带来巨大的经济损失。为预测水果蔬菜的损伤，发展更好的方法，设计合理的机械，使其所受损伤最小，从而减少损失，必须对果蔬的力学流变学特性进行透彻的了解。为此应用粘弹性力学理论研究农产品碰撞引起的变形、最大接触力和接触时间等参数，可以用来估计碰撞可能引起的损伤。生物物料的声学特性应力松弛l可以预测真是堆储情况l由F-t图像可知，随着时间增大，节点位移增大，由此可以预测真实堆储情况。随储存时间增大，生物物料组织细胞膜的蛋白质发生变性，选择性渗透能力丧失，细胞内渗透压不能保持平衡，细胞

4、内水分和可溶性物质可任意向细胞外扩散，造成剩余组织软化枯萎、刚度下降生物物料相互间挤压变形增大、位移增大。生物物料的声学特性应力松弛生物物料的声学特性l一般的应力松弛测试，是先给试样加一个瞬时的阶跃变形函数(f)=0H(f)，t0时，=0，然后保持变形不变，力随着时间而减小的过程。但因水果和蔬菜组织的流变性一般比较大，故在许多情况下，试验的初期加载过程会对实验结果产生较大的影响但就高精度的试验机而言，对于初期加载过程可用线性函数来模拟。应力松弛生物物料的声学特性应力松弛l用万能试验机测得F-t曲线后，通常要用粘弹性模型来描述生物材料的这种流变性质。松弛段曲线用 Maxwell 三元件流变模型进

5、行拟合，可得出如上图所示模型，多数农业物料的应力松弛特性都可以用此流变模型来描述。生物物料的声学特性上述的 4 个模型参数E0、E1、T、体现了物料的松弛特性，可用来反映物料的质地。应力松弛生物物料的声学特性注意：多数农业物料的应力松弛特性都可以用上述流变模型来描述，但是仍有一些并不符合，所以，在做应力松弛实验的时候，要进行拟合，选取合适的模型。以下展示一下其它模型：应力松弛生物物料的声学特性应力松弛生物物料的声学特性应力松弛生物物料的声学特性应力松弛应力松弛影响因素应力松弛影响因素应力松弛影响因素l由以上番茄纵向压缩试验可知，3个成熟期的番茄纵向形变在9mm之内都属于弹性形变。番茄是粘弹性体

6、，通过松弛试验得到的应力松弛曲线可知，瞬时形变为6mm下时，应力松弛时间都不超过 120s，且番茄随着成熟度的增加，在相同瞬时形变下的初始应力越小，应力松弛的时间也越短。应力松弛影响因素应力松弛影响因素应力松弛影响因素应力松弛影响因素l由以上结果分析可知：l梨肉因取样部位(上、中、下)、取样方向(垂直、径向、切向)和取样深度(近表面和近中心处)不同,松弛特性差异较大，松弛特性参数值亦然。l松弛特性模型中平衡弹性模量E0、衰变弹性模量E1、粘滞系数、松弛时间T均在中心处取样时的值最高；切向取样的平衡弹性模量E0、衰变弹性模量E1、部分粘滞系数值相对偏低，而其松弛时间值较高。应力松弛影响因素 l部

7、位、方向、深度对4个松弛参数的影响差异均呈显著。朝向对4个松弛参数的影响并不显著,变形量(0.25mm和0.5mm)4个松弛参数的影响亦然。l部位、方向、深度的交互作用对松弛参数的影响不一。与朝向、变形量有关的交互作用间对松弛参数的影响不显著。l以上结果的松弛特性的各向差异将影响果实存放、贮藏方式和果片等加工过程，在实际的生产加工中有着重要的意义。应力松弛影响因素 为了有利于压缩变形和减少压捆过程中因压缩物料而消耗的功率,应尽量选择足够大的压缩间隔时间,从而使压缩后物料中的应力有足够的时间进行松弛,然后进行再次压缩,不仅有利于压缩变形、提高草捆的密度、增强草捆形态的稳定性,而且也会降低压缩物料

8、所消耗的功率,但是,这样势必会降低高密度压捆机的生产率。相反,若缩短压缩间隔时间,虽然加快了压缩速度,有利于提高高密度压捆机的生产率。应力松弛时间的应用 但是由于在压缩室内压缩后物料中存在较大的应力,不利于压缩室内物料的压缩变形,同时还会使压缩后物料的变形恢复量增加,草捆维持形态稳定的能力变差,甚至草捆会因变形恢复量过大而导致拉断捆绳出现散捆现象,而且还会增加压缩物料所消耗的功率。可见,压缩间隔时间对于牧草的高密度压捆过程、压捆机的工作性能和生产率以及草捆质量等均有重要影响。应力松弛时间的应用 但是由于在压缩室内压缩后物料中存在较大的应力,不利于压缩室内物料的压缩变形,同时还会使压缩后物料的变

9、形恢复量增加,草捆维持形态稳定的能力变差,甚至草捆会因变形恢复量过大而导致拉断捆绳出现散捆现象,而且还会增加压缩物料所消耗的功率。可见,压缩间隔时间对于牧草的高密度压捆过程、压捆机的工作性能和生产率以及草捆质量等均有重要影响。应力松弛时间的应用 由表可以看出,初始密度在2040 kg/m3 时,第1 应力松弛时间在1.047 71.572 7 s 之间。通过试验研究,获得了牧草在高密度压捆过程中的应力松弛试验结果。图是初始密度为25 kg/m3时牧草在高密度压捆过程中的应力松弛变化规律。由表和图可以看出,牧草在高密度压捆过程中,当被压缩牧草达到一定压力并停止压缩后,在压缩后1 s 左右时,被压

10、缩牧草中的应力松弛很快,随后应力松弛变得较为缓慢。应力松弛时间的应用 应力松弛时间的应用 应力松弛时间的应用 应力松弛时间的应用 如果被压缩牧草松弛1 s后,再对其进行第2 次压缩,由于被压缩后牧草中的残余应力降低,它不仅有利于被压缩牧草的压缩变形、降低压缩力,从而可降低高密度压捆机压缩牧草所消耗的功率,同时也能确保高密度压捆机有足够高的生产率。而后即使延长压缩间隔时间,对降低被压缩后牧草中的应力意义不大,反而会降低压捆机的生产率。由表和图可以看出,被压缩牧草应力松弛较快的时间段与表2 中5 种初始密度下的第1应力松弛时间接近,所以应根据牧草的第1应力松弛时间确定高密度压捆机压缩频率。应力松弛

11、时间的应用参考文献1王俊,王剑平,蒋亦元,马小愚李柔松弛特性的各项差异研究农业工程学报,2002年7月,第18卷,第4期;2庞龙水果蔬菜生物材料的松弛模量实验研究中国农业大学硕士毕业论文3刘春香马铃薯块茎外形与力学刘辩学性质研究与应用东北农业大学硕士毕业论文;4周鹏,程玉来,荀博研,张祖立,白红春番茄盈利松弛特性的研究沈阳农业大学学报,2008年12月第6期;5张洪霞稻米及米饭的力学流变学特性的研究及其应用探讨东北农业大学硕士论文;6李小昱,王为,朱俊平,陈华苹果机械损伤盈利松弛特性的研究农业机械学报,1997年8月,第28卷增刊;参考文献7雷得天,马小愚,张展农业及食品物料的力学-流变学特性的应用研究农机化研究,1996年2月,第1期;8周祖谔，农业物料学M.北京：中国农业出版社，1994.9 于恩中，孙彦君，农业物料学的发展展望J.中国科技信息，2007，(3):54-57.10 张和适，张淑珍，农业物料学的进展J.沈阳农业大学学报，1989，(4).农产品的无损检测谢谢观看！