基于微观结构苹果不同组织穿刺质地的模拟分析

作     者：蒋冰瑶 

作者单位：山西农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王菊霞

授予年度：2022年

学科分类：09[农学] 0902[农学-园艺学] 090201[农学-果树学] 

主      题：穿刺试验 加载速度 微观结构 Voronoi模型 仿真试验 

摘      要：苹果营养丰富,耐贮藏且风味较好,是我国的一种重要水果。对苹果穿刺力学特性与微观结构关系的构建能够为不同品种苹果力学特性差异的原因给出解释;对不同加载速度下苹果各部位穿刺力学的差异分析可以为苹果的采摘、运输及贮藏提供参考。本文通过对苹果果皮、果肉、果核3部位穿刺力学特性进行试验研究,分析苹果各部位力学特性及其对于整果力学特性的影响;通过观察苹果各部位微观结构特性,分析不同微观结构对于穿刺力学特性的影响,构建宏观力学特性与微观结构的关系;分析苹果各部位穿刺力学特性,得到果肉、果核的材料属性,采用微观结构观察所得的组织特点辅助进行有限元仿真试验,构建有效的整果模型。主要研究内容及结论如下:(1)对3个品种苹果果皮、果肉与果核进行穿刺力学试验,分析其质地差异性。果皮穿刺强度随加载速度的增加而逐渐上升、部分加载速度下出现了下降的趋势,导致穿刺强度-速度曲线出现三个峰值,体现了生物材料的不稳定性。加载速度及品种对于穿刺强度的影响率较高,其中果皮穿刺强度差别较大的情况集中在5mm/s以下的加载速度中。丹霞品种穿刺强度峰值最大,出现在1-1.5mm/s加载速度区间内,富士品种穿刺强度峰值大小居中,出现在2-5mm/s加载速度区间内,金冠品种穿刺强度峰值最小,出现在5-9mm/s加载速度区间内。3个品种苹果果肉、果核断裂力、断裂变形量以富士与丹霞品种的较大,金冠品种的较小。不同品种苹果果肉、果核断裂力随加载速度的增加而逐渐上升,断裂力是受加载速度影响最大的穿刺力学特性参数,能够代表果肉、果核质地。果肉各项穿刺力学特性参数在0.5mm/s加载速度下,果核各项穿刺力学特性参数在0.01mm/s加载速度下受品种的影响最大。对于不同的品种及加载速度,断裂力参数受影响最大,表明该参数的敏感性较高。(2)对3个品种果皮、果肉与果核进行微观结构观察,对果皮进行扫描电镜方法观察,对果肉、果核进行激光共聚焦显微镜方式观察。采用扫描电镜方式对3个品种苹果果皮进行微观结构观察与分析,表明各个品种果皮微裂纹都较浅,丹霞品种果皮微裂纹平均宽度最小,金冠品种果皮微裂纹平均宽度最大。对果肉采用激光共聚焦显微镜进行观察,提取细胞及孔隙的欧式几何学参数,不同品种苹果果肉组织细胞及孔隙的面积、周长及等效直径进行比较,金冠品种最大,圆形率以金冠品种为最小。富士与丹霞品种果肉组织的细胞形状规则,孔隙面积较小,整体结构紧密;金冠品种果肉组织细胞形状较圆且面积较大,孔隙面积也较大,细胞间结合松散。对果核微观结构进行观察,结果与果肉微观结构情况相同,对比果肉,果核的质地更紧密,细胞及孔隙更大,圆形率更小。(3)对苹果果皮、果肉与果核微观结构观察结果与穿刺力学特性试验结果进行结合分析,建立二者之间的联系。微裂纹的宽度直接影响果皮的穿刺强度,微裂纹越宽,果皮越脆弱。丹霞品种果皮更善于应对低速冲击,金冠品种更善于应对较高速冲击。在相同的试样体积下,细胞及孔隙面积越大,圆形率越小,组织结构越为稀松,质地更脆弱。金冠组织细胞及孔隙都更接近圆形,细胞间连接较少,果肉及果核组织更为脆弱,受到加载速度变化而导致的力学性质改变较大,富士与丹霞品种情况相反。在穿刺力学试验与微观结构观察的基础上进行穿刺力学仿真试验,建立果肉、果核损伤模型与三维模型,模型正确,且精度较高,可以为整果穿刺试验提供参考。