鸡蛋静载特性分析及有限元研究

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鸡蛋在采集、加工、运输和流通过程中极易破损。为了确保生产、加工和装备设计的合理性,需要深入研究鸡蛋的力学性能和破损机理。利用质地分析仪及相关试验装置,研究了鸡蛋的静载力学特性,并运用有限元方法分析了鸡蛋受载应力分布。采用P100平板探头和采用P2柱形探头,分别研究了鸡蛋的压缩和穿刺力学特性,鸡蛋的大端、小端和横轴径方向的压缩强度分别为40.39N,42.85N40.39N,分析得出在不同部位受到相同的外载荷时,鸡蛋横周径所能承受的最大力要大于鸡蛋的大头和小头;鸡蛋的大端、小端和横轴径方向的穿刺强度分别为31.8N,26.99N,29.98。建立了鸡蛋表观弹性模量的计算和测定方法,鸡蛋表观接触弹性模量为1034.75MPa,标准偏差为68.94MPa(鸡蛋最大强度平均值为40.73N,标准偏差为7.4N,平均变形量为0.39mm,标准偏差为0.06mm)。研究了点、面、环状等不同加载方式和蛋壳厚度、蛋重、蛋形指数、曲率半径和储藏时间对鸡蛋抗载能力的影响。结果表明,鸡蛋的最大抗载因加载方式的不同而变化,纵向加载所能承受的最大抗载要小于横向加载所承受的最大抗载。采用环状加载,鸡蛋所承受的最大抗载要大于鸡蛋受平板探头压缩的最大抗载。蛋重与鸡蛋最大抗载的相关性不显著。蛋形指数与最大抗载相关性在α=0.01水平上显著,蛋壳厚度对最大抗载影响较大,不同部位由于蛋壳厚度的不同而略有差异。储藏时间对最大抗载有一定影响。鸡蛋两端顶点处曲率半径对鸡蛋的最大抗载有明显影响,随着曲率半径的增大,鸡蛋所能承受的最大抗载增大。大头顶点和小头顶点曲率半径与最大抗载的相关性显著,而横周径上曲率半径与最大抗载的相关性不显著。通过建立鸡蛋的有限元模型,得到加载后鸡蛋不同部位的应力分布云图。鸡蛋的有限元分析结果表明,鸡蛋在长轴方向承载时所产生的应力比短轴方向要大,蛋型指数对应力有一定的影响,与试验结果相一致。使用D-200振动实验台和ICP力锤采用振动法测量鸡蛋的刚度,结果表明:鸡蛋固有频率均值范围在569.7—600.21Hz之间,刚度值范围在7.54×109—8.36×109N/mm-2之间。鸡蛋的重量是影响其固有频率的关键因素,鸡蛋的固有频率随着鸡蛋重量的增加而减小。测试中采用不同的质量块,会影响鸡蛋的固有频率,但刚度值基本不会发生变化。对鸡蛋静载力学特性的研究,为鸡蛋的采集、分级、加工、运输和流通过程提供一定的理论指导。
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