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《内蒙古农业大学》 2009年
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马铃薯压缩、应力松弛特性与淀粉含量相关性的研究

郭文斌  
【摘要】: 马铃薯属于固体粘弹性生物物料,其生物力学特性和淀粉含量都与物料本身组织结构有关。淀粉主要充填在马铃薯内部组织细胞中,以细胞淀粉的形式存在,受到外力作用时,载荷通过细胞中的水分及淀粉物质颗粒作用在细胞壁上,从而对马铃薯的生物力学特性产生影响。本文针对内蒙古呼和浩特地区产紫花白和底希芮品种马铃薯进行了压缩和应力松弛试验研究,并对马铃薯压缩和应力松弛特性参数与淀粉含量的相关性进行了分析,通过学科间的交叉研究,寻求用力学特性参数检测马铃薯淀粉含量的方法;在对马铃薯压缩和应力松弛特性的研究中还引入了虚拟样机技术,基于虚拟样机技术建立了马铃薯压缩和应力松弛过程的虚拟样机模型,并对其压缩及应力松弛过程进行了仿真。本研究主要内容如下: (1)在不同加载速率下,采用平顶圆柱压头和平板压头对马铃薯整茎和圆柱试样进行了压缩试验。获得了马铃薯整茎和圆柱试样的压缩曲线,由二次抛物线模型回归得到了弹性模量、刚度等压缩特性参数,从曲线可以看出马铃薯压缩过程中无明显生物屈服点;对两个品种马铃薯不同压缩速率下整茎、圆柱试样的压缩特性进行了对比,得出不同速率下整茎试样压缩特性参数差异并不显著,压缩初始阶段曲线基本重合,因此实际检测及储运中,在弹性范围内外载荷施加的速率对马铃薯完整块茎挤压影响较小。研究对整茎及圆柱试样压缩特性分析的同时,探讨了造成整茎和圆柱试样压缩特性差异的原因,圆柱试样由于压缩过程中水分流失,物料密度增加,其压缩过程中弹性模量随应变的增加而增加;而整茎压缩时,物料组织发生粘性流动,整茎的刚度值随变形量的增加而减小。 圆柱压头对马铃薯整茎压缩时,物料破裂前达到的应变较小,可看作粘弹性变形过程,其应力应变关系可用Maxwell模型进行描述。本研究基于粘弹性理论分析了平顶圆柱压头对马铃薯整茎压缩时的粘弹性变形过程,获得了整茎压缩的本构方程,由试验数据进行回归确定了马铃薯块茎物料受压时表现出来的弹性模量和粘性系数,为进一步研究马铃薯整茎的力学特性奠定了基础。 (2)在不同常变形量下,利用平顶圆柱压头和平板压头分别对马铃薯整茎和圆柱试样进行了应力松弛试验研究。建立了马铃薯应力松弛过程的流变学模型,确定了物料松弛过程中的弹性模量、粘性系数和松弛时间,并分析了常变形量不同对两个品种马铃薯整茎及圆柱试样松弛参数的影响,得出整茎物料受长时间挤压时的变形量不同,其松弛后残留的弹性也明显不同。根据所得试验数据,对整茎和圆柱试样应力松弛特性进行了分析,探讨了造成整茎和圆柱试样松弛特性差异的原因,松弛过程中圆柱试样呼吸作用较强、水分散失较多,应力松弛时间较长;而整茎应力松弛过程中应变较小,松弛时间较短。 (3)利用碘比色法测定了马铃薯试样的淀粉含量,对准静态压缩速率下紫花白和底希芮品种马铃薯圆柱试样和整茎试样的压缩、应力松弛特性参数与试样的淀粉含量进行了相关性分析。获得了与淀粉含量相关性显著的力学特性参数。其中对于两个品种圆柱试样,压缩和应力松弛过程中的弹性模量与试样的淀粉含量、含水率均显著相关;对于两个品种整茎试样,压缩过程中的破裂点刚度、破坏能、粘性系数与整茎淀粉含量相关性比较显著。针对与两个品种马铃薯淀粉含量相关性显著的压缩、应力松弛特性参数,经多元回归分析,建立了力学特性参数与马铃薯淀粉含量的回归方程,经检验回归方程有意义。 (4)引入了虚拟样机技术,根据试验研究和理论分析所得的结果,在ADAMS仿真环境下建立了马铃薯整茎压缩和应力松弛过程的仿真模型。将马铃薯压缩及应力松弛过程的仿真曲线与试验曲线进行了对比,验证了模型的正确性,同时分析了模型各元件应力应变随时间变化的规律,并在仿真环境下模拟了不同加载速率、不同仿真时间对马铃薯压缩及松弛曲线的影响。
【学位授予单位】:内蒙古农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S532

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