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2024年6月5日发(作者：)
２０２１年４月 农机化研究 第４期
苹果两向异性力学特性和跌落试验研究
胡广锐ꎬ卜令昕ꎬ张恩宇ꎬ寇倩雯ꎬ程玉明ꎬ赵 健ꎬ陈 军
(西北农林科技大学机械与电子工程学院ꎬ陕西杨凌 ７１２１００)
摘 要:压缩和冲击力学特性是与农业物料的损伤密切相关的物理特性ꎮ为了确定苹果的力学特性ꎬ利用万能
试验机对苹果果肉和果皮进行了力学试验ꎬ并分析了苹果果肉的压缩特性和果皮的拉伸特性ꎮ针对苹果的冲击
力学特性ꎬ选择冲击材料、冲击材料的水平速度和苹果跌落方向３个因素设计跌落试验ꎮ压缩试验表明:苹果果
肉径向和轴向的弹性模量分别为(２.８１±０.３７)、(３.９６±０.６９)ＭＰａꎬ两向的弹性模量和屈服强度都具有显著性差
异ꎬ而果皮的横向和纵向在弹性模量上有显著性差异(ｐ<０.０５)ꎮ跌落试验表明:果实的轴向抗损伤能力强于径
向ꎬ果实损伤量随着冲击材料的水平速度增大而减小ꎬ且冲击材料的表面粗糙度会影响果实损伤量ꎮ本研究可
为深入理解果实压缩特性和冲击损伤机理提供帮助ꎬ并为建立更准确的果实模型提供基础依据ꎮ
关键词:苹果ꎻ力学特性ꎻ跌落试验ꎻ损伤
中图分类号:Ｓ１８３ 文献标识码:Ａ文章编号:１００３
－
１８８Ｘ(２０２１)０４
－
０１５４
－
０７
０ 引言
苹果的营养价值高且耐存储ꎬ是典型的季产年销
水果ꎮ国家统计局数据显示ꎬ近５年陕西地区的苹果
产量稳居全国首位ꎬ约占全国总产量的２５.１％
[１]
ꎮ然
而ꎬ苹果在采收、运输、存储和分级等环节都可能会受
到压缩载荷或冲击载荷的作用
[２]
ꎬ当压缩载荷或冲击
载荷大于水果的抗损伤能力时ꎬ就会发生损伤
[３]
ꎮ有
研究表明ꎬ鲜食苹果从果园到销售ꎬ会有约５０％的苹
果损伤
[４
－
５]
ꎮ果实损伤后ꎬ细胞组织会发生明显的褐
严重限制了苹果产业经济效益的增长ꎮ因此ꎬ研究苹
果的力学特性ꎬ探究造成果实损伤的影响因素ꎬ可为
降低果实损伤提供理论支持ꎮ
两种物理特性
[６
－
８]
ꎮ压缩力学试验可以确定农业物料
的弹性模量、屈服强度和屈服应变等力学参
数
[５ꎬ９
－
１０]
ꎮ压缩过程是一个准静态加载过程ꎬ果实的
应变速率基本不高于１０ｍｍ/ｍｉｎꎮ冲击与压缩的最大
区别在于果实受载的应变速率不同
[８]
ꎮ冲击载荷作
收稿日期:２０１９
－
０９
－
２９
基金项目:宁夏回族自治区重点研发计划项目(ｎｘｚｄｋｊｘｍ２０１６
－
０４
－
作者简介:胡广锐(１９９５
－
)ꎬ男ꎬ安徽阜阳人ꎬ硕士研究生ꎬ(Ｅ
－
ｍａｉｌ)
通讯作者:陈 军(１９７０
－
)ꎬ男ꎬ宁夏固原人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ(Ｅ
－
ｍａｉｌ)ｃｈｅｎｊｕｎ＿ｊｄｘｙ＠ｎｗａｆｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
２０１７０５０９５２＠ｎｗｓｕａｆ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
０２)ꎻ国家重点研发计划项目(２０１７ＹＦＤ０７００４０２
－
２)
用于果实时ꎬ其应变速率显著高于压缩载荷ꎮ果实的
冲击力学特性参数需要通过跌落试验和冲击锤试验
来确定
[１１
－
１３]
ꎮ
针对压缩力学特性ꎬＡｂｂｏｔｔ和Ｌｕ利用万能试验机
对４种品种的苹果进行压缩试验ꎬ并开发了一种根据
硬度对苹果进行分类的方法
[１４]
ꎮＡｓｈｔｉａｎｉ等人利用有
限元法与压缩试验证明了葡萄柚和苹果在压缩特性
上具有类似特性ꎬ水平方向比垂直方向能抵抗更大的
负载ꎬ提出了葡萄柚在装箱过程中需要考虑其取
向
[１５]
ꎮ对整颗果实进行压缩可以很好体现果实的整
果实组织在力学特性上的差异
[１６]
ꎮ近些年ꎬ为进一步
体力学特性ꎬ但不能很好体现果肉、果皮和果核各个
研究果实损伤机理ꎬ对果实不同组织进行分别进行了
并对果肉和胚盘进行压缩试验ꎬ对果皮进行拉伸试
验ꎬ使用有限元法对猕猴桃进行了完整的建模
[１８]
ꎮ
果实的冲击损伤主要受冲击表面材料类型、跌落
变现象ꎬ不仅降低了苹果品质ꎬ而且不利于苹果贮藏ꎬ
压缩和冲击力学特性是与果实损伤密切相关的
测试
[１７]
ꎮＴｉａｎ等人将猕猴桃分成果皮、果肉和胚盘ꎬ
高度、跌落方向和果实成熟度等因素的影响
[１９
－
２５]
ꎬ常
使用损伤阈值和损伤敏感度来很衡量果实抗冲击损
伤的能力
[２０ꎬ２６
－
３１]
ꎮＳｔｏｐａ等人基于跌落试验提出了一
Ｋｏｍａｒｎｉｃｋｉ等人探究了不同冲击表面类型、跌落高度
对苹果冲击损伤的影响
[１９]
ꎮＤｕ等人使用有限元法对
１７.１％和１８.３％
[３２]
ꎮ常规的跌落试验是水果从一定
不同成熟度的猕猴桃损伤敏感性进行预测ꎬ有限元模
拟结果的损伤体积和损伤敏感性的最大误差分别为
高度自由下落与静止的冲击表面碰撞ꎬ而现实中水果
种确定苹果抗损伤能力的方法
[２１]
ꎮ采用相同的方法ꎬ
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