引言
核桃是世界著名的四大堅果之一，具有很高的營養價值。核桃本身含有豐富的脂肪，特別是其含有不飽和脂肪酸，人體易吸收，具有保健作用; 核桃中蛋白質含量高，營養價值高; 富含維生素 E，具有美容作用; 核桃仁中含有豐富的人類所需要的營養元素，是牛奶和牛肉所不能比擬的。同時，核桃含有磷脂成分，對抑制腦細胞老化、增強記憶力非常有幫助。核桃皮對人亦有一定的保健作用?，F在農民也慢慢意識到對核桃進行深加工可以產生很高的經濟效益。
但是無論何種形式的核桃深加工，破殼取仁都是首要的工序?，F在對核桃破殼的機械主要是運用定間隙擠壓破殼法設計的。
利用定間隙擠壓破殼法設計核桃破殼機械，首先要確定破殼力的大小以及最佳的破殼方式。本文將通過 UG 建立核桃的三維模型，運用 Workbench 對核桃的 3 個力的加載方向進行應力和應變分析，找出最佳的破殼擠壓方向，為以后利用間隙擠壓破殼法設計機器提供理論基礎。
1 核桃的幾何形狀和尺寸
本實驗以陜西省商洛市種植面積較大的核桃品15g，平均單果質量 12． 2g，殼面光滑美觀，商品性好，種香玲為研究對象。香玲呈卵圓形，單果質量 9． 5 ～縫合線緊，不易開裂，取仁極易。在本實驗中，隨機挑取 150 個核桃，其含水量基本相同。以核桃的中心為原點，以原點指向短軸方向定義為 X 軸，以原點指向縫合線方向定義為 Y 軸，以原點指向長軸方向定義為 Z 軸，如圖 1 所示。分別對核桃的 3 個方向的尺寸進行測量，得出 X 軸方向尺寸的平均值為 16． 4mm，Y軸方向尺寸的平均值為 16． 6mm，Z 軸方向尺寸的平均值為 19． 7mm。經過測量，核桃外殼厚度為 0． 9mm，核桃殼、仁之間間隙的平均值為 1． 66mm?！緢D1 略】
2 核桃的有限元受力模型的建立
2． 1 核桃材料屬性的確定
在建立核桃三維模型時，考慮到核桃的殼、仁是由不同的材料構成的，應對核桃殼和核桃仁分別建模。同時，在擠壓的過程中對核桃殼施加的力要比核桃仁大很多，所以殼、仁應選擇不同的彈性模量。由于核桃殼的纖維化不明顯，在確定材料屬性的時候可以近似地假定為各向同性材料。類比木材，將果殼的彈性模量取為 10MPa，泊松比為 0． 3，密度為470kg / m3; 果仁的彈性模量取為 1． 1MPa。在核桃擠壓的過程中，核桃殼、仁可能會相互接觸，為了對這種擠壓過程中的相互接觸進行模擬，應該在核桃的有限元模型化過程當中引入接觸單元。
2． 2 網格劃分
在對核桃模型進行網格劃分的時候，考慮到有限元網格劃分的特點以及核桃的幾何尺寸，采用自由網格劃分的形式分別對核桃殼、仁進行網格劃分，在進行網格劃分的時候將有限單元的邊長設為 3mm。圖2為核桃經自由網格劃分后的有限元模型?！緢D略】
3 核桃破殼的有限元受力分析
對于核桃來說，經過儲存和干燥之后，果殼表現為脆性材料，果殼的破壞方式表現為脆性破壞，因此破壞準則采用脆性斷裂破壞強度準則。核桃在被擠壓的過程中，果殼與破殼部件的接觸面積較小，可以把核桃受力簡化成集中力。由于核桃果實結構的對稱性，進行受力分析時可采用 1/2 的對稱模型進行分析。
本試驗首先分別沿 X、Y、Z 軸方向對核桃施加載荷，通過有限元分析得到核桃應力和應變的分布情況; 然后將各個方向的應力和應變分布進行對比，并結合實驗得到最佳的破殼方向。
3． 1 沿 X 軸的方向施加力
對核桃的剖開面采用固定約束，將集中力載荷施加在核桃 X 軸與核桃殼的交點處。依據擠壓試驗結果可知，需要施加的集中力為 24． 45kg。圖3 ～ 圖5 所示為核桃的等效應力、等效應變及總變形分布情況。從分析云圖可以看出，沿 X 軸方向施加載荷時核桃的最大應力和應變出現在集中力的施加位置，核桃殼也是在集中力的施加位置最先破裂。通過擠壓實驗也得到與分析同樣的結果。由云圖還可以看出，應力和應變從加載位置向四周逐漸變小，說明裂紋從加載點向四周擴展。由總變形分析云圖得出，核桃的變形量很大，說明核桃的破殼效果比較好?！緢D略】
3． 2 沿 Y 軸的方向施加力
對核桃施加集中載荷位置的相對位置進行固定約束，在核桃縫合線的中間位置施加集中力載荷，依據擠壓試驗結果可知，需要施加的集中力為 39． 25kg。
圖 6 ～ 圖 8 所示為核桃的等效應力、等效應變及總變形分布情況。從分析云圖可以看出，沿 Y 方向施加載荷時核桃的最大應力和應變同樣出現在集中力的施加位置?！緢D略】
由于在縫合線處核桃殼比較厚，所以核桃在被擠壓時需要的破殼力最大。此外，核桃殼的兩個半球在縫合線處的結合力比較小，從而導致在擠壓過程中核桃會被擠壓成兩半，核桃仁被嵌在核桃殼里面而不易進行殼仁分離。
3． 3 沿 Z 軸的方向施加力
對核桃的沿 Z 軸方向施加集中力，其對稱位置進行固定約束。依據擠壓試驗結果可知，需要施加的集中力為 31． 36kg。圖 9 ～ 圖 11 所示為核桃的等效應力及等效應變、總變形分布情況。由分析云圖可以看出，當沿 Z 軸的方向施加集中力時，核桃的最大應力出現在集中力載荷的施加點，最大變形也出現在此處，同時核桃殼的裂紋會以力的加載點為中心向四周擴張。從總變形云圖可以看出，變形主要出現在核桃的頂點位置，從而導致核桃在被擠壓的過程中出現崩潰現象，即核桃某一很小的部分從核桃上分離下來，但是由于核桃殼的大部分還沒有破裂而不利于后期的取仁。4 實驗結果與有限元分析的比較在驗證性實驗中所采用的裝置為 PT－1036PC 萬能材料實驗機。該儀器主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲等測試，且本實驗裝置的精度比較高，滿足實驗的要求。利用本實驗設備分別沿 X、Y、Z 方向對核桃進行擠壓得到核桃的破殼力、破殼率、整仁率等實驗結果，如表 1 所示?！颈?】
由實驗結果可以看出，在沿 X 軸破殼時施加的載荷最小且核桃的外殼破裂比較充分，破殼率和整仁率也比較高。由應力應變圖可以看出，沿 X 軸施加集中力時應力和應變均沿施加載荷的中心向外擴展，逐漸變小。從總變形分析云圖可以看出，核桃的變形量很大，變形的范圍也很廣，說明核桃的破殼效果比較好。
沿 Y 軸施加載荷時，應力應變主要集中在載荷的中心位置，但是向外擴展的范圍不大，不利于裂紋的擴展，核桃縫合線處的殼厚也比較厚，所需要的破殼力最大。沿 Z 軸施加載荷時，由于接觸面積比較小而產生崩潰，導致只有核桃的一小部分破裂，這同樣也不利于破殼。
5 結論
1\\) 本文用 UG 建立了核桃模型，并且采用 Work-bench 對核桃模型進行有限元分析。分別對核桃沿X、Y、Z 軸方向對核桃施加載荷，得到的分析結果基本與實驗結果基本相同，說明所建立的模型具有很好的實用性。
2\\) 通過實驗以及有限元分析得出: 在沿 X 軸方向施加載荷時裂紋擴張比較好，并且核桃的破殼率和整仁率也比較高。
3\\) 分別沿 X、Y、Z 軸 3 個方向對核桃施加載荷時，破殼力的大小為 Fy＞Fz＞ Fx，說明沿 X 軸方向施加載時最省力。
4\\) 利用 Workbench 對核桃沿 X、Y、Z 軸分別施加載荷進行應力應變分析，模擬了核桃在破殼的過程中的應變狀態的變化，這為科研人員利用定間隙擠壓破殼原理設計核桃破殼設備提供了一定的理論依據。
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