獼猴桃力學特性試驗與分析

田昆鵬， 張 彬， 李顯旺， 沈 成， 黃繼承

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

獼猴桃果肉鮮嫩，營養豐富，是我國極具特色的水果之一[1]。由于獼猴桃質地較柔軟，在采摘、包裝、運輸到銷售等各個環節中很容易受到機械壓縮損傷，受損后的果體會迅速發生變質、腐敗等現象，嚴重影響果品質量和經濟效益[2-5]。研究獼猴桃的力學特性，有助于掌握獼猴桃的壓縮受損機制，并為獼猴桃生產裝備的研制提供參考。

對相關文獻資料進行研究發現，國內外對柑橘、梨、葡萄、番茄等常見果蔬力學特性的研究較多，對獼猴桃的研究也有一定涉及[6-14]。在國外，Talens等測定了獼猴桃在冷藏前后的物理及壓縮力學特性，確定了獼猴桃在凍融后保持最佳物理力學特性的貯存溫度和壓力[15]。Razavi等研究了海沃德品種獼猴桃的物理力學特性，測定了獼猴桃果實的外形尺寸、體積、密度、靜摩擦系數、堅實度、黏附力等參數，為獼猴桃生產環節機械設備的設計提供了力學參數[16]。在國內，計宏偉等對獼猴桃整果進行了壓縮試驗，分析了獼猴桃在壓縮過程中的力學行為，給出了蠕變-時間曲線[17]。陳軍等測定了獼猴桃的抗擠壓特性和其他相關物理參數，為獼猴桃采摘機器人末端執行器的設計提供了參考[18]。

歸納發現，以上研究都是針對獼猴桃整果力學特性的研究，由于單個獼猴桃整果主要由果皮、果肉等部分組成，各組分力學特性差異較大，對獼猴桃各組分進行力學特性測定分析，掌握其力學特性，對了解獼猴桃受損機制，減少獼猴桃生產過程中機械損傷，建立獼猴桃動力學模型、有限元數值模型以及研制獼猴桃生產裝備都具有重要意義。

1 獼猴桃力學特性試驗

1.1 試驗材料

本試驗所用獼猴桃為我國獼猴桃主要品種之一的金艷獼猴桃。選取長勢均勻、無損傷及病蟲害、處于成熟期的金艷獼猴桃鮮果作為試驗樣本。由于金艷獼猴桃外形近似橢圓體，軸向直徑比徑向長，通過游標卡尺測得，獼猴桃軸向和徑向直徑范圍分別為(72±5)、(50±3) mm。將獼猴桃分別沿軸向和徑向從中間切開，可以看到獼猴桃的中間部位為胎座，在胎座和果肉之間為種子室，種子室內密布種子和包裹種子的黏液(圖1)。

1.2 試驗儀器設備

獼猴桃壓縮力學特性試驗所用儀器和工具主要包括WDW-10微機控制萬能試驗機(圖2)、游標卡尺、美工刀等，其中萬能試驗機精度等級為0.5級，試驗力分辨力為 1/300 000 F.S(full scale，簡稱滿量程)，力控速率調節范圍為0.005%～5%F.S/S(full scale per second)，位移速率調節范圍為0.005～500 mm/min。

1.3 試驗方法

1.3.1 獼猴桃果皮拉伸試驗 將獼猴桃果皮分別制作軸向和徑向拉伸試樣。制作軸向拉伸試樣時，首先用中性筆沿軸向方向在獼猴桃果皮上劃分出若干條均勻分布的經線，相鄰經線間距取15 mm左右，其后用美工刀沿經線將獼猴桃切成尺寸相等的條塊，切條后再將果肉沿果皮削下(果肉備用)，將果皮制成寬為(10±1) mm、長為(50±5) mm的30個試樣。

制作徑向拉伸試樣和制作軸向拉伸試驗相似，首先用中性筆在獼猴桃徑向方向上畫出間距12 mm左右的緯線，沿緯線環切后將獼猴桃果肉沿果皮削下(果肉備用)，同樣將果皮制成寬為(10±1) mm、長為(50±5) mm的30個試樣，經游標卡尺測量果皮厚度為0.4 mm左右。試驗時，萬能試驗機上下夾頭分別加持果皮試樣兩端(圖3)，設定加載速度為5 mm/min，取果皮在上下夾頭中間位置斷裂的為有效拉伸試樣，由萬能試驗機記錄下相應的應力-應變曲線和試驗數據。

1.3.2 獼猴桃果肉壓縮試驗 將“1.3.1”節中制作獼猴桃果皮拉伸試樣削下來的果肉條塊分別沿經向和軸向分段切割后，將果肉制成長為(10±1) mm、寬為(7±1) mm、高為(10±1) mm 的軸向壓縮試樣和長為(10±1) mm、寬為(10±1) mm、高為(7±1) mm的徑向壓縮試樣。試驗時分別將2種試樣沿高度方向放置在萬能試驗機壓縮下壓頭中心，通過位移調節按鈕微調上壓頭與試樣間距，并在上壓頭輕微碰觸到試樣上表面時將壓縮力和位移清零，此時萬能試驗機在壓縮方向的原始標距即為試樣的高度。設定萬能試驗機加載速度為 5 mm/min，啟動加載按鈕，當果肉試樣受到壓縮破壞，應力值減小到最小值并開始逐漸增加時停止加載，由萬能試驗機記錄下相應的應力-應變變化曲線及試驗數據。獼猴桃果肉壓縮試驗如圖4所示。

1.4 力學特性參數求解依據

對獼猴桃進行果皮拉伸和果肉壓縮試驗時，在果皮和果肉內各部分之間會產生相互作用的內力，果皮和果肉單位面積上所受的內力稱為應力，公式表示為：

(1)

式中：σ表示應力，N/mm2；F表示拉力(壓力)，N；S表示拉(壓)方向上材料橫截面面積，mm2。

果皮和果肉在受到外力作用下會產生一定的變形，變形的程度稱應變，公式表示為：

(2)

式中：ε表示拉(壓)應變量，%；ΔL表示變形后長度，mm；L表示變形前的原始標距長度，mm。

材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系，其比例系數稱為彈性模量，公式表示為：

(3)

式中：E為材料彈性模量，N/mm2或MPa。

2 結果與分析

2.1 果皮拉伸試驗結果與分析

獼猴桃果皮拉伸應力-應變曲線如圖5所示，試驗數據見表1。

由圖5可知，獼猴桃果皮受拉時，在軸向和徑向拉伸開始階段，應力-應變曲線具有一定的線性變化特征，沒有明顯的生物屈服點出現，此后隨著載荷和變形量的逐漸增加，達到果皮抗拉極限后，獼猴桃果皮被迅速拉斷，出現應力突降現象。

由表1可知，獼猴桃果皮軸向拉伸彈性模量、抗拉強度平均值分別為14.46、1.40 MPa；獼猴桃果皮徑向拉伸彈性模量、抗拉強度平均值分別為14.32、1.15 MPa。

表1 獼猴桃果皮拉伸試驗數據

2.2 果肉壓縮試驗結果與分析

獼猴桃果肉壓縮應力-應變曲線如圖6所示，試驗數據見表2。

由圖6可知，在軸向和徑向壓縮開始階段，應力-應變曲線都具有一定的線性變化特征，表明獼猴桃在承受微量壓縮時具有彈性應變特性。隨著載荷的增加，壓縮應力逐漸增大，當應力達到果肉抗壓強度時，果肉原有組織結構受到破壞，果肉整體被壓碎。此后隨著應變量的增大，應力值不再增加反而逐漸減小，此現象表明果肉在壓縮階段后期具有壓縮屈服現象。

由表2可知，獼猴桃果肉軸向壓縮彈性模量、屈服強度平均值分別為4.46、0.75 MPa；獼猴桃果肉徑向壓縮彈性模量、屈服強度平均值分別為2.10、0.52 MPa。

3 結論與討論

利用萬能試驗機分別對金艷品種獼猴桃主要組分果皮和果肉的力學特性參數進行試驗測定，并結合理論計算得出：金艷獼猴桃果皮軸向和徑向拉伸彈性模量和抗拉強度平均值分別為14.46、1.40 MPa和14.32、1.15 MPa。對比各力學特性參數可知， 獼猴桃果皮軸向和徑向拉伸力學特性參數差異較小，結合生物材料的力學本構模型特性，可近似認為獼猴桃果皮為各向同性材料的本構特性。金艷獼猴桃果肉軸向和徑向壓縮彈性模量、屈服強度平均值分別為4.46、0.75 MPa和2.10、0.52 MPa。對比各力學特性參數可知，獼猴桃果肉軸向和徑向壓縮力學特性參數差異較大，結合生物材料的力學本構模型特性，可以認為獼猴桃果肉具有為正交各向異性材料的本構特性。

表2 獼猴桃果肉壓縮試驗數據

注：L為試驗長度；D為試樣寬度；H為試樣高度；Ec為壓縮彈性模量；Re為屈服強度。

本研究成果可為獼猴桃機械損傷分析、獼猴桃動力學、有限元數值模型的建立及生產裝備的研制提供重要的參數依據。