核桃物理特性與力學(xué)特性的測(cè)定與分析

摘 要：本文針對(duì)云南漾濞大泡核桃進(jìn)行了物理特性與力學(xué)特性的測(cè)定，并分析了物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。結(jié)果表明，在物理參數(shù)測(cè)定中，漾濞大泡核桃的橫徑、棱徑和縱徑的平均值分別為35.90、34.55、29.65 mm；等效球徑為19.50～25.55 mm；殼厚為2.83～4.11 mm；球度平均值為0.93，整體呈類球形。在力學(xué)特性測(cè)定中，擠壓力、擠壓變形量、破殼能的平均值分別為137.85 N、0.66 mm、57.70×10-3 J；當(dāng)加載方向?yàn)榭v徑方向時(shí)，擠壓力、擠壓變形量、破殼能最大，而加載方向?yàn)槔鈴椒较驎r(shí)的擠壓力、擠壓變形量、破殼能最小。在相關(guān)性分析中，核桃尺寸與其他參數(shù)之間存在較多的極顯著關(guān)系，隨著核桃尺寸的增加，核桃殼厚度增加，球度減小，使核桃殼達(dá)到瞬時(shí)破壞時(shí)的擠壓力、擠壓變形量及破殼能變大。這些特性在云南漾濞大泡核桃的采摘、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工過程中起著關(guān)鍵作用，不僅為優(yōu)化處理工藝、減少損傷和污染風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，還有效提高了核桃的食品安全性。

關(guān)鍵詞：核桃；物理特性；力學(xué)特性；相關(guān)性分析

Determination and Analysis of Physical and Mechanical Properties of Walnuts

LI Xinying

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： This article focuses on the determination of physical and mechanical properties of Yunnan Yangbi walnut， and analyzes the correlation between physical and mechanical parameters. The results showed that in the determination of physical parameters， the average values of the transverse diameter， edge diameter， and longitudinal diameter of Yangbi big bubble walnut were 35.90， 34.55， 29.65 mm， respectively; the equivalent ball diameter is from 19.50 to 25.55 mm; the shell thickness is from 2.83 to 4.11 mm; the average sphericity is 0.93， and the overall shape is spherical. In the determination of mechanical properties， the average values of extrusion force， extrusion deformation， and shell breaking energy are 137.85 N， 0.66 mm， and 57.70×10-3 J， respectively; when the loading direction is the longitudinal direction， the extrusion force， extrusion deformation， and shell breaking energy are maximum， while when the loading direction is the radial direction， the extrusion force， extrusion deformation， and shell breaking energy are minimum. In the correlation analysis， there is a significant relationship between walnut size with other parameters. As walnut size increases， the thickness of walnut shell increases and the sphericity decreases， resulting in an increase in extrusion force， extrusion deformation， and shell breaking energy when the walnut shell reaches instantaneous failure. These characteristics play a key role in the picking， storage， transportation， and processing of Yunnan Yangbi walnuts， providing scientific basis for optimizing processing technology， reducing damage and pollution risks， and effectively improving the food safety of walnuts.

Keywords： walnut; physical properties; mechanical properties; correlation analysis

核桃，也稱胡桃[1]，與杏仁、腰果、榛子并稱為四大干果[2]，因其果仁具有抗癌、抗氧化、健腦益智等作用而被廣泛種植[3]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織2023年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球49.26%的核桃產(chǎn)于中國，而云南省核桃種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[4-5]。盡管如此，目前對(duì)核桃物理特性與力學(xué)特性的研究主要集中于新疆、山西、安徽、陜西和河北等地的核桃[6-10]，而對(duì)云南核桃物理特性與力學(xué)特性的研究相對(duì)較少，并且還沒有進(jìn)行物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析。因此，本文對(duì)云南漾濞大泡核桃的三徑尺寸、等效球徑、殼厚、球度、擠壓力、擠壓變形量和破殼能進(jìn)行了測(cè)定，并分析了物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，旨在為優(yōu)化處理工藝、減少損傷和污染風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)，以提高核桃的食品安全性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用核桃為在云南省漾濞縣采摘的漾濞大泡核桃（干核桃），剔除存在裂紋、病蟲害、畸形、干癟或發(fā)霉等問題的樣品。

1.2 儀器與設(shè)備

錫豐200-1501數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）；Byes-2001微機(jī)單臂拉力試驗(yàn)機(jī)（圖1）。

1.3 試驗(yàn)方法

隨機(jī)選取450個(gè)核桃樣本用于核桃物理特性（三徑尺寸、等效球徑、殼厚和球度）和力學(xué)特性（擠壓力、擠壓變形量和破殼能）的測(cè)定。

1.3.1 物理特性

（1）三徑尺寸測(cè)量。核桃的三徑，即橫徑、棱徑和縱徑，是表示核桃外觀幾何尺寸的重要參數(shù)。其中，橫徑是垂直于核桃縫合線方向測(cè)量到的最大尺寸；棱徑是沿核桃縫合線處短軸方向測(cè)量到的最大尺寸；縱徑是沿核桃縫合線處長軸方向測(cè)量到的最大尺寸。本研究使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量其三徑。

（2）等效球徑計(jì)算。核桃的等效球徑是通過對(duì)其縱徑、橫徑和棱徑進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得到的。計(jì)算公式為

（1）

式中：Deq為核桃的等效球徑，mm；L為核桃的縱徑，mm；W為核桃的橫徑，mm；T為核桃的棱徑，mm；π為圓周率，約等于3.141 59。

（3）殼厚測(cè)量。核桃殼不同部位的厚度存在明顯差異，其中縫合線頂端處的厚度最大，而最突出處的厚度最小。因此，使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺對(duì)核桃的縫合線頂端處、縫合線頂端旁、縫合線中端處、縫合線底端處和最突出處5個(gè)部位進(jìn)行殼厚的測(cè)量，并以5個(gè)部位殼厚的平均值表示核桃殼厚。

（4）球度計(jì)算。核桃的形狀大多類似球形或橢球形。通過球度可以描述核桃的幾何形狀，計(jì)算公式為

（2）

式中：Sp為核桃的球度；L為核桃的縱徑，mm；W為核桃的橫徑，mm；T為核桃的棱徑，mm。

1.3.2 力學(xué)特性

在力學(xué)特性方面，擠壓力表示使核桃殼破裂所需的力；擠壓變形量表示使核桃殼破碎而不損傷核桃仁所需的變形量；破殼能指核桃破殼過程中消耗的能量。本研究使用微機(jī)單臂拉力試驗(yàn)機(jī)，沿核桃的橫徑、棱徑和縱徑方向分別進(jìn)行150次單軸壓縮試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)處于準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的加載速率為1.2 mm·min-1，同時(shí)根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定位移極限為5 mm。觀察載荷-形變曲線圖，記錄曲線達(dá)到峰值時(shí)，即核桃殼產(chǎn)生瞬時(shí)破壞時(shí)的擠壓力與擠壓變形量。計(jì)算破殼能公式為

（3）

式中：P是破殼能，J；Fo是核桃的臨界擠壓力，N；lo是核桃的臨界擠壓變形量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

平均值能夠代表整體趨勢(shì)，而最大值和最小值則反映極端情況。方差能夠定量描述不同核桃間參數(shù)的差異程度。因此，本研究統(tǒng)計(jì)了所測(cè)物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的最大值、最小值、平均值及方差。并使用SPSS軟件對(duì)物理特性與力學(xué)特性之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理特性分析

2.1.1 三徑尺寸測(cè)量結(jié)果分析

由表1可知，核桃樣本的縱徑尺寸為30.43～41.69 mm，橫徑尺寸為30.19～40.77 mm，棱徑尺寸為22.14～38.43 mm。其中，縱徑的方差最大，說明核桃的縱徑變化幅度較大，而橫徑和棱徑的方差相對(duì)較小且數(shù)值相當(dāng)，這表明核桃在橫徑和棱徑方向上的變化較為一致。

2.1.2 等效球徑計(jì)算結(jié)果

核桃的等效球徑由核桃三徑尺寸計(jì)算得來，可以更好地代表核桃的尺寸。由表2可知，核桃樣本的等效球徑為19.50～25.55 mm，平均值為22.69 mm，方差為1.32 mm2。

2.1.3 殼厚測(cè)量結(jié)果

由表3可知，本實(shí)驗(yàn)核桃樣本的殼厚為2.83～4.11 mm，平均值為3.37 mm，方差為0.06 mm2，表明核桃樣本殼厚的波動(dòng)性較小。

2.1.4 球度計(jì)算結(jié)果

球度是衡量核桃實(shí)際形狀與理想球體接近程度的指標(biāo)，其值范圍從0到1。值越接近1，表明核桃的形狀越接近球形；值越接近0，則表明偏離球形越多。由表4可知，核桃球度的平均值為0.93，因此可以認(rèn)為本研究的核桃樣本為類球形。

2.2 力學(xué)特性分析

核桃擠壓力如表5所示，最大值和最小值分別為335.82 N和50.56 N，方差為2 254.70 N2，表明核桃的擠壓力具有較大的波動(dòng)性。核桃擠壓變形量如表6所示，最大值為1.97 mm、最小值為0.21 mm，方差為0.29 mm2，表明核桃的擠壓變形量具有較小的波動(dòng)性。核桃破殼能如表7所示，最大值為313.28×10-3 J、最小值為6.49×10-3 J，平均值為57.70×10-3 J、方差為0.002 84 J2，表明核桃的破殼能具有較小的波動(dòng)性。

由于不同加載方向上的力學(xué)特性差異較大，因此進(jìn)一步分析核桃在不同加載方向的力學(xué)特性。由表8可知，在縱徑加載方向上，核桃的平均擠壓力為189.023 N、平均擠壓變形量為0.803 mm、平均破殼能為98.717×10-3 J，均為3個(gè)加載方向最大值。這表明該受力點(diǎn)處的核桃殼抗壓強(qiáng)度較高，因此需要較大的擠壓力、變形量和破殼能才能發(fā)生破裂。而與其他兩個(gè)加載方向相比，棱徑加載方向的平均擠壓力、平均擠壓變形量以及平均破殼能較低，這表明該受力點(diǎn)處的核桃殼抗壓強(qiáng)度較低，容易破裂，因此所需擠壓力、變形量和破殼能較小。

2.3 物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析

為探究物理特性與力學(xué)特性之間的關(guān)系，本研究對(duì)核桃尺寸（以等效球徑代表）、核桃殼厚、核桃球度、擠壓力、擠壓變形量和破殼能進(jìn)行相關(guān)性分析。由表9可知，在所有參數(shù)中，與其他參數(shù)之間存在極顯著關(guān)系最多的參數(shù)為核桃尺寸。具體來說，核桃尺寸與球度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與擠壓變形量、破殼能呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與殼厚呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，擠壓變形量與破殼能、尺寸、擠壓力呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與球度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明隨著核桃尺寸的增加，核桃殼厚度增加，球度減小，使核桃殼達(dá)到瞬時(shí)破壞時(shí)的擠壓變形量變大，破殼能變大。

3 結(jié)論

本文對(duì)云南漾濞大泡核桃進(jìn)行了物理特性與力學(xué)特性的測(cè)定，并對(duì)這些特性的相關(guān)性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，核桃的縱徑、橫徑、棱徑平均值分別為35.90、34.55、29.65 mm，其中縱徑差異較大。核桃的等效球徑為19.50～25.55 mm，殼厚為2.83～4.11 mm，球度的平均值為0.93，表明核桃呈類球形。此外，核桃的擠壓力、擠壓變形量和破殼能的平均值分別為137.85 N、0.66 mm和57.70×10-3 J。且不同加載方向?qū)颂伊W(xué)特性有顯著影響，縱徑方向下的擠壓力、擠壓變形量和破殼能最大，而棱徑方向最小。相關(guān)性結(jié)果分析表明，核桃尺寸與其他參數(shù)之間存在較多的極顯著關(guān)系。隨著核桃尺寸的增加，核桃殼厚度增大，球度減小，導(dǎo)致瞬時(shí)破壞時(shí)的擠壓力、擠壓變形量和破殼能均增加。本研究對(duì)云南漾濞大泡核桃的采摘、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工過程具有重要意義，不僅為優(yōu)化加工工藝、降低損傷和污染風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，還有助于提升核桃的質(zhì)量安全水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李夏媛，高鵬，田鑫，等.不同核桃品種花期特性觀測(cè)和避晚霜品種的篩選[J].果樹資源學(xué)報(bào)，2024，5（6）：13-16.

[2]黃崇博，黃穎，馬旋，等.核桃制油及其餅粕蛋白利用技術(shù)研究進(jìn)展[J/OL].中國油料作物學(xué)報(bào)，1-13[2024-10-27].https：//doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2024131.

[3]張雪，唐信軍，齊睿.核桃仁研究進(jìn)展[C]//2014年中國藥學(xué)大會(huì)暨第十四屆中國藥師周論文集.北京：中國藥學(xué)會(huì)，2014：6.

[4]王靜，張?chǎng)?我國核桃油提取工藝裝備關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2024（18）：108-110.

[5]許單云，陳科屹，陳鴻飛，等.大理州核桃全產(chǎn)業(yè)鏈問題診斷與高質(zhì)量發(fā)展策略[J/OL].中國油脂，1-9[2024-11-06].https：//doi.org/10.19902/j.cnki.zgyz.1003-7969.240361.

[6]李龍，曾勇，滿曉蘭，等.沖擊條件下核桃損傷斷裂特性尺寸效應(yīng)研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2023，44（10）：108-114.

[7]王斌，劉德華，張淑娟.核桃物理力學(xué)特性參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（8）：165-169.

[8]彭美樂.沖擊力下山核桃裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

[9]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)，2013，34（6）：103-106.

[10]侯朝雷，相海，王俊海，等.基于核桃特性分析的核桃破殼裝置設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程，2019，9（2）：45-50.