西瓜子包装自动开口有限元受力分析

青岛科技大学 孙聚杰

西瓜子香脆可口、营养丰富，深受消费者欢迎，是一种常见的休闲食品，但是它外壳坚硬，炒制时不易入味，食用过程中损伤牙齿。如果炒制之前对西瓜子进行预开口处理，则方便入味，炒制后也方便食用（如图1）。然而，目前不少加工厂仍采用落后的手工砸取方式，生产率低，劳动成本高。倘若能够设计出机械化的开口设备，便可大幅度提高生产效率。大量的专家学者对银杏、核桃等坚果类果实进行了开口有限元受力分析，但是对于西瓜子的这方面研究还很少。

图1 炒制后的开口西瓜子

本文主要对施加载荷的方式进行研究，使西瓜子能够有规则的在尖端破壳开口。通过有限元受力分析软件ANSYS/LS-DYNA分析了各种施力状态下西瓜子的变形以及应力、应变分布，找到了施加载荷的最佳方式，为包装设备研制提供理论基础。

1 西瓜子的几何形状和物理参数

西瓜子形状扁平，大小不一但形状相似，通过对大量的西瓜子进行尺寸测量，求得平均值，对西瓜子进行三维建模（如图2），X-Y平面几何尺寸（如图3）。西瓜子外壳的厚度约为0.6mm，壳、仁的3D模型（各为一半，分别如图4、图5）。

图2 西瓜子三维图

图3 西瓜子几何尺寸

图4 西瓜子壳模型

图5 西瓜子仁模型

西瓜子的壳与仁材质不同，对于横压来说，不同方向西瓜子的极限强度相差不大，因此可以将西瓜子壳与仁的材质都假定为各向同性材料。参考木材，将西瓜子壳和仁的弹性模量定为 10Mpa、1Mpa，泊松比分别为 0.29、0.32。

2 基于ANSYS/LS-DYNA西瓜子有限元分析

分析过程包括建模、单元网格划分、定义接触、施加载荷、求解和后处理几个部分。为更好地拟合西瓜子模型并避免形状检查失败，对西瓜子仁选择10节点四面体单元3-D SOLID 168，对西瓜子壳采用4节点空间薄壳单元3-D SHELL 163。由于西瓜子壳与仁之间还存在相互作用，所以需要考虑接触。选用ANSYS/LS-DYNA的单面接触类型，此种接触用于一个物体表面各部分与另一个物体表面的接触，ANSYS/LS-DYNA程序将自动判定模型中发生表面接触的位置，无须定义contact和target表面。

图6 划分网格

由于结构对称，采用1/2的对称模型来进行分析，网格划分如图6所示，在对称面上加上对称的边界约束。沿宽度方向对模型施加三种载荷：集中载荷为120N（由实验得出，西瓜子恰好破壳开口）（如图7）；均布线载荷为60N/mm（分布范围为2mm）（如图8）；均布面载荷为30N/mm2（分布范围为4mm2）（如图 9）。

图7 集中载荷

图8 均布线载荷

图9 均布面载荷

分析计算西瓜子在不同载荷下变形、应力、应变的变化规律，并进行对比研究，找出施加载荷的最佳方式。

3 各载荷施加方式对比分析

3.1 集中载荷

图10为集中载荷有限元分析后壳体的总体变形、等效应力和等效应变图，由图可知，西瓜子被挤压变形，并且壳沿Z轴向两侧凸起。总体变形区域可以看成一个以载荷作用点为中心的棱形，长轴沿壳侧棱方向。等效应力区域是以载荷作用点为中心的不规则图形，应力在中心处最大，沿四周减小，等效应变与等效应力相类似。

图10 集中载荷有限元分析

3.2 均布线载荷

均布线载荷有限元分析（如图11），从图中可以看出，在这种加载方式下，总体变形也具有方向性。不同的是，应力、应变区域有沿着棱边向西瓜子尖端延伸的趋势，具有一定方向性，在加载线处最大，向外逐渐减小。两侧也出现了应力区域，这是由于棱边受力向内变形挤压到仁，受到了仁的反作用。

图11 均布线载荷有限元分析

3.3 均布面载荷

均布面载荷有限元分析（如图12），在总体变形图a中可以看出模型总体变形更大，几乎整个壳体都发生了形变，并且方向性更明显。在均布面载荷附近，应力、应变区域近似为椭圆形，延伸到了西瓜子尖端，壳体大部分区域都存在应力、应变。可以预测，这种加载方式最利于西瓜子尖端破壳开口。

图12 均布面载荷有限元分析

4 结论

运用ANSYS/LS-DYNA分析西瓜子有限元模型，考虑了壳与仁之间的相互作用，得到了三种载荷情况下模型的变形、应力和应变图。通过对比分析表明，西瓜子破壳开口的最佳施力方式是沿宽度方向的均布面载荷，在其作用下几乎整个壳体都发生变形，应力、应变分布的方向性最明显，延伸到了西瓜子尖端。

由于西瓜子尖端没有侧棱处结合紧密，当受到均布面载荷作用时率先破壳开口，与试验结果相吻合，可以作为研究开口设备的参考依据。