基于接触力学的猕猴桃生物力学特性与无损夹持研究

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我国猕猴桃产量世界第一,但是出口量和国际市场占有率低,市场竞争力不足,很大程度上是由于猕猴桃采后的分拣不精细,易将成熟与非成熟混装在一起,而猕猴桃属于呼吸跃变型水果,其成熟度不随果皮颜色发生改变,成熟度高的果实会散发催熟剂加剧非成熟果实的熟化时间,甚至导致烂果,严重影响冷藏时间,而猕猴桃成熟度与其生物力学特性之前存在一定关系,随着成熟度增加,其力学特性会发生改变,但是这一关系目前尚不明确,为此,本研究以陕西省西安市周至县司竹镇果园的“翠香”、“徐香”、“海沃德”共三个品种为研究对象,通过理论分析、仿真模拟与试验研究相结合的方法对果后猕猴桃的生物力学特性展开研究,主要研究结论如下:(1)用Hertz接触理论模型对猕猴桃在采后分拣过程的受力微观过程进行分析,通过分析比较Hertz接触理论、JKR接触理论、Bradley接触理论、DMT接触理论和M-D 接触理论模型,依据弹性球接触的黏连图中的载荷P和弹性参数λ,可以得到受力微观过程可以用基于Hertz接触理论公式进行描述比较合适:在Hertz接触理论的基础上、把果实果后受力的随机性,用球形压头、圆柱形压头和圆锥形压头进行代替,分析了三种压头在压入猕猴桃果实的微观过程,得到随着压入果实的深度ΔH的增加,接触面积S也会随之增加,且增加的过程存在线性阶段和非线性阶段。(2)分析三个品种的猕猴桃在不同的采摘期、储藏时间和储藏温度下,糖度和生物力学特性指标的变化,在不发生冷害的温度下储藏,低温可以有效延缓采后猕猴桃糖度和生物力学特性的变化;随着储藏时间的增加,生物力学特性指标会呈现下降趋势,而糖度会呈现上升趋势;通过对成熟状态下猕猴桃的泊松比、弹性模量和破坏应力的计算。(3)建立球形,圆锥形和圆柱形三种压头进行压缩果实的有限元分析,仿真表明相同的压缩深度下,果肉的等效应力大于胎盘,随着压缩深度的增大,果肉和胎盘的等效应力都增大,且应变也变大,压头与果实接触点出应力最大,说明猕猴桃损伤最先出现在接触压头中心,且破坏程度与压力深度有关。(4)对三个品种猕猴桃在常温25℃和冷藏4℃两个温度梯度的对比测量,建立糖度与生物力学特性之间的单因素和多因素模型。当“翠香”、“徐香”和“海沃德”三个品种猕猴桃的糖度为11%、9%和8%,根据单变量拟合公式,可以间接地确定三个品种猕猴桃的可食用标准;建立三个品种猕猴桃的糖度与生物力学特性指标之间的多变量公式,硬度Y和弹性模量E的系数为负数,可得出硬度Y、弹性模量E和刚度K均与糖度B呈负相关,符合猕猴桃生物特性。(5)选取了采后成熟状态下的猕猴桃,对猕猴桃进行分拣试验,确定最小夹持力和气动手爪的气压值范围。利用柔性气动手爪抓取成熟状态下的猕猴桃的合理夹持力,转化成最小气压值。基于两爪、三爪和四爪三种柔性气动手爪状态下,对果实进行合理夹持,分别得到了三种不同的静摩擦系数(0.52、0.46、0.36)和三种不同类型的柔性手爪最小气压值(26KPa~34KPa、21KPa~25KPa、17KPa~25KPa)。
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