馬鈴薯壓縮、應(yīng)力松弛特性與淀粉含量相關(guān)性的研究.pdf

1、馬鈴薯屬于固體粘彈性生物物料，其生物力學(xué)特性和淀粉含量都與物料本身組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。淀粉主要充填在馬鈴薯內(nèi)部組織細(xì)胞中，以細(xì)胞淀粉的形式存在，受到外力作用時(shí)，載荷通過細(xì)胞中的水分及淀粉物質(zhì)顆粒作用在細(xì)胞壁上，從而對(duì)馬鈴薯的生物力學(xué)特性產(chǎn)生影響。本文針對(duì)內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)產(chǎn)紫花白和底希芮品種馬鈴薯進(jìn)行了壓縮和應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究，并對(duì)馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛特性參數(shù)與淀粉含量的相關(guān)性進(jìn)行了分析，通過學(xué)科間的交叉研究，尋求用力學(xué)特性參數(shù)檢測(cè)馬鈴薯淀粉含

2、量的方法；在對(duì)馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛特性的研究中還引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛過程的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其壓縮及應(yīng)力松弛過程進(jìn)行了仿真。本研究主要內(nèi)容如下： （1）在不同加載速率下，采用平頊圓柱壓頭和平板壓頭對(duì)馬鈴薯整莖和圓柱試樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。獲得了馬鈴薯整莖和圓柱試樣的壓縮曲線，由二次拋物線模型回歸得到了彈性模量、剛度等壓縮特性參數(shù)，從曲線可以看出馬鈴薯壓縮過程中無明顯生物屈服點(diǎn)；對(duì)兩個(gè)品種馬鈴

3、薯不同壓縮速率下整莖、圓柱試樣的壓縮特性進(jìn)行了對(duì)比，得出不同速率下整莖試樣壓縮特性參數(shù)差異并不顯著，壓縮初始階段曲線基本重合，因此實(shí)際檢測(cè)及儲(chǔ)運(yùn)中，在彈性范圍內(nèi)外載荷施加的速率對(duì)馬鈴薯完整塊莖擠壓影響較小。研究對(duì)整莖及圓柱試樣壓縮特性分析的同時(shí)，探討了造成整莖和圓柱試樣壓縮特性差異的原因，圓柱試樣由于壓縮過程中水分流失，物料密度增加，其壓縮過程中彈性模量隨應(yīng)變的增加而增加：而整莖壓縮時(shí)，物料組織發(fā)生粘性流動(dòng)，整莖的剛度值隨變形量的增加而

4、減小。 圓柱壓頭對(duì)馬鈴薯整莖壓縮時(shí)，物料破裂前達(dá)到的應(yīng)變較小，可看作粘彈性變形過程，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用Maxwell模型進(jìn)行描述。本研究基于粘彈性理論分析了平頂圓柱壓頭對(duì)馬鈴薯整莖壓縮時(shí)的粘彈性變形過程，獲得了整莖壓縮的本構(gòu)方程，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸確定了馬鈴薯塊莖物料受壓時(shí)表現(xiàn)出來的彈性模量和粘性系數(shù)，為進(jìn)一步研究馬鈴薯整莖的力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)。 （2）在不同常變形量下，利用平頂圓柱壓頭和平板壓頭分別對(duì)馬鈴薯整莖和圓柱試

5、樣進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究。建立了馬鈴薯應(yīng)力松弛過程的流變學(xué)模型，確定了物料松弛過程中的彈性模量、粘性系數(shù)和松弛時(shí)間，并分析了常變形量不同對(duì)兩個(gè)品種馬鈴薯整莖及圓柱試樣松弛參數(shù)的影響，得出整莖物料受長時(shí)間擠壓時(shí)的變形量不同，其松弛后殘留的彈性也明顯不同。根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)整莖和圓柱試樣應(yīng)力松弛特性進(jìn)行了分析，探討了造成整莖和圓柱試樣松弛特性差異的原因，松弛過程中圓柱試樣呼吸作用較強(qiáng)、水分散失較多，應(yīng)力松弛時(shí)間較長：而整莖應(yīng)力松弛過程中應(yīng)

6、變較小，松弛時(shí)間較短。 （3）利用碘比色法測(cè)定了馬鈴薯試樣的淀粉含量，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮速率下紫花白和底希芮品種馬鈴薯圓柱試樣和整莖試樣的壓縮、應(yīng)力松弛特性參數(shù)與試樣的淀粉含量進(jìn)行了相關(guān)性分析。獲得了與淀粉含量相關(guān)性顯著的力學(xué)特性參數(shù)。其中對(duì)于兩個(gè)品種圓柱試樣，壓縮和應(yīng)力松弛過程中的彈性模量與試樣的淀粉含量、含水率均顯著相關(guān)；對(duì)于兩個(gè)品種整莖試樣，壓縮過程中的破裂點(diǎn)剛度、破壞能、粘性系數(shù)與整莖淀粉含量相關(guān)性比較顯著。針對(duì)與兩個(gè)品種馬鈴

7、薯淀粉含量相關(guān)性顯著的壓縮、應(yīng)力松弛特性參數(shù)，經(jīng)多元回歸分析，建立了力學(xué)特性參數(shù)與馬鈴薯淀粉含量的回歸方程，經(jīng)檢驗(yàn)回歸方程有意義。 （4）引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析所得的結(jié)果，在ADAMS仿真環(huán)境下建立了馬鈴薯整莖壓縮和應(yīng)力松弛過程的仿真模型。將馬鈴薯壓縮及應(yīng)力松弛過程的仿真曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，同時(shí)分析了模型各元件應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律，并在仿真環(huán)境下模擬了不同加載速率、不同仿真時(shí)間對(duì)