13 / 2021-03-22 11:15:22

番茄果实断裂力学响应的扩展有限元模型

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新鲜水果在机械处理过程中往往会发生微破裂，严重影响整个供应链上产品的采后质量。为研究番茄果实在采后机械压缩作用下的断裂力学响应，建立了扩展有限元模型。以1/4番茄果实为模型，模型包含三部分：外果皮、中果皮和隔膜组织、预制裂纹。将基于幅值曲线变化的均匀分布压力载荷施加于果实腔室内表面，以替代压缩载荷过程中果实腔室内部液体的压力变化。利用基于XFEM的内聚段法结合幻影节点模拟了水果模型中预裂纹的萌生和扩张过程。假定果实组织断裂前为理想的线弹性脆性固体材料，组织断裂能与断裂组织样本的大小和几何形状无关，组织断裂响应符合线弹性牵引—分离行为，即裂纹萌生遵循最大主应力准则，裂纹扩展遵循线性软化定律和独立模式下基于能量的断裂准则。当果实裂纹即将开始扩展时，施加在果实内部腔室表面上的峰值力约为0.02 MPa。发现XFEM模型能够再现压缩力—百分比变形行为以及番茄果实在压缩状态下的裂纹扩展，变形率高达28％，平均相对误差约为8％。XFEM仿真和实验数据均表明，当变形百分比大于20％时，预制裂纹扩展迅速。此外，果实模型的裂纹扩展长度对腔室中的峰值压力和外果皮和中果皮的断裂力学参数（例如弹性模量，泊松比，破坏应力，断裂能）敏感性较强。本研究展示了XFEM作为一种新型技术的应用，以理解不同条件下（例如成熟度）果实在机械载荷下如何破裂以及裂纹扩展的程度，对于改进或开发新的机械处理技术很重要。