基于有限元分析的工藝核桃鉗設(shè)計(jì)

韓訓(xùn)梅

摘 ? 要：核桃作為營養(yǎng)豐富的一種堅(jiān)果，備受人們的喜愛，由于其堅(jiān)硬的外殼，人們需要使用工具才能打開，市面上的核桃鉗大多數(shù)不夠美觀。通過對核桃破殼受力的有限元分析，進(jìn)行核桃鉗結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，旨在保證其實(shí)用性的基礎(chǔ)上，使其具有工藝品一樣的外觀，且符合人體工程學(xué)理論。

關(guān)鍵詞：核桃鉗 ?有限元分析 ?人體工程學(xué)

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0088-02

Abstract： Walnut， as a nutrient-rich nut， is loved by people. Because of its hard shell， people need to use tools to open it. Most of the walnut pliers on the market are not beautiful enough. Through the finite element analysis of walnut shell breaking force， the walnut clamp structure is designed to ensure its practicability， make it have the same appearance as handicraft， and accord with the theory of ergonomics.

Key Words：Walnut pliers; Finite element analysis; Ergonomics

核桃又名羌桃，是世界四大干果之一，已經(jīng)有2000多年的栽培歷史，深受人們喜愛[1]。但是由于其堅(jiān)硬的外殼，導(dǎo)致其食用困難，需要借助工具才能剝開，市場上的一些夾核桃的工具都是類似鉗子一樣的外觀，而且夾持力無法控制，核桃夾碎難以收拾，為此，需要設(shè)計(jì)一款兼顧美觀與實(shí)用性的核桃鉗。

1 ?核桃的有限元分析

1.1 核桃受力分析

要夾破核桃，肯定是一對集中力或兩對集中力或多對集中力施加在核桃上。核桃擠壓方向不同，受力情況和擠壓時(shí)所需的最大變形量亦有所不同[2]。從史建新，趙海軍等人的基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究中可以了解到核桃有效施力方式是兩對集中力，施力位置是沿側(cè)棱縫合線方向在最高處的兩邊對稱分布，產(chǎn)生裂紋所需的變形量最小[3]。

1.2 核桃的尺寸與形狀

市場上核桃品種繁多，各項(xiàng)數(shù)據(jù)差異很大，現(xiàn)選用河北的“石門核桃”為試驗(yàn)樣品，統(tǒng)計(jì)100個(gè)核桃的尺寸幾何數(shù)據(jù)，經(jīng)過測量得出平均幾何參數(shù)：平均質(zhì)量為14g，外形近似圓形，表面光滑。

1.3 建立物理模型

1.3.1 網(wǎng)格劃分

考慮到有限元?jiǎng)澐值奶攸c(diǎn)以及核桃尺寸，采用自由網(wǎng)格劃分的形式對核桃進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限單元的邊長設(shè)為3mm，由于果實(shí)結(jié)構(gòu)的對稱性，進(jìn)行受力分析時(shí)可采用1/2的對稱模型進(jìn)行分析[4]。圖1為網(wǎng)格劃分后的有限元模型。

1.3.2 核桃破殼的有限元受力分析

對核桃采用固定約束，將集中力載荷施加在Y軸與核桃的交點(diǎn)處，依據(jù)模擬仿真結(jié)果可知所需施加的力大小為31.85kg/cm2，核桃的應(yīng)力分析云圖如圖2所示。

在本模型中，將核桃殼體看成是一種線性材料體，為簡化模型不考慮殼體不同位置的材料性質(zhì)不同，使得核桃模型的簡化存在一定的不足。此外，還未考慮核桃本身的其他因素（如含水率等）對破殼的影響，這些有待于以后更進(jìn)一步地深入研究[5]。

2 ?核桃鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

目前市場上有很多種類的核桃鉗：剪式，其夾核桃的力道由使用者決定，使用這種核桃夾很難保證核桃的完整性;軸向擠壓式，由原來的直接夾核桃變?yōu)轵?qū)動(dòng)桿來擠壓核桃，同樣的這個(gè)力不好控制而且彈簧存在疲勞壽命;三刀螺旋式，其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，體積也很大，不適合安放;下壓式，原理同剪式核桃夾，只是由原來的兩個(gè)活動(dòng)副變?yōu)橐粋€(gè)固定副一個(gè)活動(dòng)副。

比較上述各種核桃鉗，其中下壓式和螺旋式是兩種比較好的結(jié)構(gòu)。

下壓式結(jié)構(gòu)，其底座一定得足夠重或足夠大，這樣才能近似成為固定副，雖說可以做成大型的工藝品，但是作為一款量產(chǎn)的產(chǎn)品，要考慮其量產(chǎn)能力，其外形尺寸不能太大，所以這種結(jié)構(gòu)不適合量產(chǎn)。

螺旋式結(jié)構(gòu)主要是通過螺紋的旋緊與松開控制所在位置，并且在沒有震動(dòng)的情況下能夠保證相對位置不變，這種結(jié)構(gòu)用在核桃夾上便能控制施加壓力的大小以免施力過大，并且體積可以設(shè)計(jì)得很小巧，市場上大多數(shù)的核桃夾都不能控制施力的大小，所以把螺旋結(jié)構(gòu)用在核桃夾上是一個(gè)創(chuàng)新之處。

綜合以上兩點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選用螺旋式破殼方法來對核桃鉗的結(jié)構(gòu)及其外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 手柄設(shè)計(jì)

到目前為止，很多產(chǎn)品都在向側(cè)重人體舒適性的方向發(fā)展，小到一枚紐扣，大到汽車、飛機(jī)，都在細(xì)微處折射出以人為本的思想。螺旋式核桃鉗由手柄和底座兩部分組成。

手柄是我們與核桃鉗直接接觸的地方，所以手柄的設(shè)計(jì)是整個(gè)核桃鉗中的重中之重，此部分的設(shè)計(jì)得符合人體工程學(xué)。在大量實(shí)驗(yàn)后，我們得出大多數(shù)人手握感最舒適的柱體直徑為20～25mm左右。當(dāng)人手握拳時(shí)掌心處間隙最大，虎口與底部的間隙小，總體來說握拳時(shí)手心間隙形狀類似橄欖形。為了實(shí)現(xiàn)這樣的曲線，實(shí)現(xiàn)曲線的自然過渡，此手柄的設(shè)計(jì)采用了9個(gè)不同尺寸的圓相切成的連續(xù)曲線，既保證了握感的舒適，又符合人們的審美，還保證了加工可行性，如圖3所示。

2.3 底座設(shè)計(jì)

核桃夾底座作為夾碎核桃的主體，首先得有一個(gè)放核桃的槽，其次得有一個(gè)配合手柄的M16的螺紋孔使兩者能夠配合，結(jié)考慮到手柄外觀以及手柄尺寸對底座尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終確定底座尺寸在60～70mm左右，外觀設(shè)計(jì)與一個(gè)鈴鐺類似，如圖4所示。

3 ?結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的工藝核桃夾兼具了工藝性與實(shí)用性，使本產(chǎn)品具備了市面上大多數(shù)的核桃鉗所不能同時(shí)兼顧的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：夾持力的可控性與外形的美觀性。很好的解決了核桃夾放在顯眼處不和諧的尷尬境地。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘月紅，周愛蓮.我國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、前景及對策分析[J].中國食物與營養(yǎng)，2012（5）：22-25.

[2] 王維，賀功民，王亞妮.核桃的力學(xué)特性及有限元分析[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2103，34（6）：103-106.

[3] 史建新，趙海軍，辛動(dòng)軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005（3）：185-188.

[4] 閆茹，高警，鄭甲紅，等.基于Workbench的核桃破殼力學(xué)特性分析[J].農(nóng)機(jī)化學(xué)研究，2014（10）：38-41.

[5] 周軍，史建新.氣爆式核桃破殼有限元力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化學(xué)研究，2014（12）：65-69.