【摘 要】
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小麦从收获到加工整个过程中会运用到脱粒机、清选机等多种机械装置,这些机械装置与小麦籽粒间力的相互作用会使籽粒破碎。而籽粒的破碎有些是发生在其内部,很难将其筛选出来,这些内部破碎的籽粒极易感染霉变或虫害,对粮食的储藏及后续的加工品质造成较大的影响。因此研究小麦籽粒破碎特性,对小麦在收获、运输等过程中粮食机械的优化设计,降低这些过程中的破碎损伤具有指导意义,同时为减少储藏过程中由小麦籽粒破碎引起的霉变
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小麦从收获到加工整个过程中会运用到脱粒机、清选机等多种机械装置,这些机械装置与小麦籽粒间力的相互作用会使籽粒破碎。而籽粒的破碎有些是发生在其内部,很难将其筛选出来,这些内部破碎的籽粒极易感染霉变或虫害,对粮食的储藏及后续的加工品质造成较大的影响。因此研究小麦籽粒破碎特性,对小麦在收获、运输等过程中粮食机械的优化设计,降低这些过程中的破碎损伤具有指导意义,同时为减少储藏过程中由小麦籽粒破碎引起的霉变和虫害提供参考。目前对小麦籽粒破碎特性的研究大多是运用实验和数值模拟的方法,存在着以下问题:（1）小麦籽粒的离散元仿真多是研究籽粒与装置之间接触和运动关系,无法对籽粒的整个破碎过程进行描述和分析。（2）目前针对小麦籽粒这种体积较小、形态结构复杂的不规则物体所运用的数值模型多是简单的椭圆形,未考虑其复杂的几何结构对分析结果的影响。因此本文以单颗小麦籽粒为研究对象,基于X射线断层扫描技术构建了精准的小麦籽粒三维模型,在此模型的基础上构建了离散元仿真破碎模型,同时搭建了小麦籽粒破碎实验装置并结合X射线断层扫描技术,对早期发生在籽粒内部的破碎到最后完全破碎这一动态过程进行了描述与分析。本文的研究内容如下:（1）构建小麦籽粒破碎离散元仿真模型。基于X射线断层扫描技术获取单颗籽粒二维切片图像,利用图像处理算法完成切片图像的降噪、分割以及各组织模型的重建。最后通过逆向工程技术对重建模型进行修复与光滑处理,完成小麦表皮、胚和胚乳组织的三维模型的构建。在此模型的基础上,构建了小麦籽粒破碎离散元仿真模型。（2）离散元仿真参数的确定。对单颗小麦籽粒进行单轴压缩实验,获取了不同含水率下的小麦籽粒的临界破碎载荷、压缩位移和弹性模量等基本力学参数,结果表明:小麦籽粒的弹性模量与含水率之间为负相关,临界破碎力与含水率之间为负相关,压缩位移与含水率之间为正相关。基于休止角实验,构建了17、49、80和126球仿真模型,运用Plackett-Burman实验筛选出影响休止角的显著接触参数为:小麦-小麦静摩擦系数、小麦-小麦滚动摩擦系数和小麦-有机板静摩擦系数;运用最陡爬坡实验和Box-Behnken实验对接触参数进行了标定,这3个显著参数结果分别为:0.185、0.046和0.203;运用这四种填充球模型对标定的参数进行验证发现:离散元模型外轮廓相似的情况下,内部填充球的数量对休止角的影响较小。通过单轴压缩实验和离散元仿真,运用最陡爬坡实验和Box-Behnken实验对粘结参数进行了标定,结果为:法向刚度9.44×1010 N/m~3、切向刚度8.42×1010 N/m~3、临界法向应力5.21×10~6 Pa、临界切向应力4.44×10~6 Pa。（3）小麦籽粒破碎特性研究。搭建了小麦籽粒冲击破碎实验装置,结合离散元仿真与X射线断层扫描技术对横向放置和纵向放置的小麦籽粒从开始的内部破碎到最后的完全破碎这一过程进行了研究,同时验证了小麦籽粒离散元破碎模型的准确性。在横向放置时:冲击力在39.50～111.31 N间,小麦籽粒内部开始破碎出现裂纹,裂纹随着冲击力的增大逐渐增加;冲击力在113.312～119.04 N之间,小麦籽粒内部裂纹扩散至籽粒外表面,在作用力接触面的侧边出现破碎;冲击力大于119.04 N时,籽粒外表面的裂纹逐渐扩大至整个籽粒,籽粒沿腹沟劈裂成两半,并逐渐破碎成块状。在纵向放置时:冲击力在30.99～60.76 N间,小麦籽粒内部开始破碎出现裂纹,裂纹随着冲击力的增大逐渐增加;冲击力在60.76～75.33 N之间,小麦籽粒的外表面出现破碎,破碎同样出现在作用力的侧边;当冲击力在大于75.33 N时,籽粒外表面的裂纹逐渐扩大,并扩散至整个籽粒,籽粒逐渐破碎成块状。
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