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文檔簡介
1、第四節(jié) 固體農(nóng)業(yè)物料流變性質(zhì)的測定主 要 內(nèi) 容一、力和變形的關(guān)系二、彈性參數(shù)及其測定三、粘彈性參數(shù)及其測定四、模擬試驗(了解)基本試驗 所測定的性質(zhì)為物料本身所固有的,與樣品的幾何形狀、載荷狀況或使用的儀器無關(guān),例如彈性模量、泊松比、松弛時間等。 模擬試驗通常用來測定如穿透力、擠壓能、結(jié)實度等參數(shù),樣品質(zhì)量、幾何形狀、試驗速度等對所測定的參數(shù)有直接關(guān)系。 基本試驗的分類靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗。 根據(jù)加載速率來區(qū)分是準(zhǔn)靜態(tài)試驗還是動態(tài)試驗。 固體農(nóng)業(yè)物料流變性質(zhì)的測定方法 : (1) 基本試驗 (2) 模擬試驗用于拉伸、剪切、壓縮、彎曲等試驗 一、力和變形關(guān)系二、彈性參數(shù)及其測定彈性試驗的基本概念
2、:是把農(nóng)業(yè)物料近似地看作虎克體(施加的力或變形應(yīng)盡可能的小),應(yīng)用工程力學(xué)的試驗方法測定有明確意義的力學(xué)參數(shù),如彈性模量、剪切模量、體積模量、泊松比等。 二、彈性參數(shù)及測定原理(一) 軸向壓縮和拉伸試驗式中: F :施加的外力 A : 試件初始橫截面積 :在外力作用下的變形 :試件的初始長度 壓縮試驗為主 生物物料進行軸向壓縮試驗的基本要求 彈性模量求法: 試件的制作方法二、彈性參數(shù)及測定原理表觀彈性模量: 生物物料即使在非常小的應(yīng)變情況下總是有部分變形是不可恢復(fù)的,所以應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系曲線是非線性的。在曲線的不同位置可得出不同的彈性模量值。 二、彈性參數(shù)及測定原理 生物物料在拉伸試驗中遇到的
3、最困難的問題是選擇一種夾緊裝置。 二、彈性參數(shù)及測定原理 (二) 剪切試驗 應(yīng)力F:剪切力; d:實心圓柱體沖模直徑; t:果肉厚度;S:剪切強度二、彈性參數(shù)及測定原理 為測定水果表皮抗剪切或沖剪能力,利用圖示的裝置測定了蘋果表皮的剪切強度。試驗結(jié)果表明,蘋果表皮抗剪切強度比抗壓強度約低42左右。二、彈性參數(shù)及測定原理(三) 彎曲試驗 式中:F :梁中部的集中載荷 L:梁的有效長度 I:慣性矩 D:梁中部的撓度 一些農(nóng)業(yè)物料也可將其作為簡支梁或懸臂梁作試驗。飼料莖稈或蔬菜莖稈在自然狀態(tài)下可作為梁做試驗,比較勻質(zhì)的物料,如干酪和奶油等也可將其做成矩形桿作為梁做試驗。由于物料的自重或在梁上附加一個
4、小的集中載荷而使梁產(chǎn)生彎曲下垂。如果一個簡支梁,已知載荷和撓度,則可用下式計算出彈性模量E。 二、彈性參數(shù)及測定原理 利用水或其它液體施加靜液壓力,用以測定農(nóng)產(chǎn)品體積壓縮特性。當(dāng)物體受到各向相等的壓縮應(yīng)力P時,將產(chǎn)生體積變化V,但其形狀沒有發(fā)生改變。 體積壓縮試驗可以得到體積應(yīng)力和體積應(yīng)變關(guān)系曲線,該曲線的斜率即為體積模量K。 體積模量K 用于度量物料的不可壓縮性。(四)體積壓縮試驗(體積柔量或可壓縮性)二、彈性參數(shù)及測定原理用來測定馬鈴薯、蘋果等農(nóng)產(chǎn)品的體積模量或體積蠕變等粘彈性參數(shù)。 二、彈性參數(shù)及測定原理(五)接觸應(yīng)力試驗 固體生物物料的各種力學(xué)試驗中,最簡單和最普通的方法是壓縮試驗。采
5、用剛性平板、鋼球或剛性圓柱模作為加載裝置,對形狀完整的物體或預(yù)先制作的標(biāo)準(zhǔn)試件,進行簡單的軸向壓縮是一種常用的力學(xué)試驗方法。 二、彈性參數(shù)及測定原理 赫芝在1896年提出了各向同性的兩個彈性體彼此接觸時接觸應(yīng)力的求法。根據(jù)赫芝接觸應(yīng)力理論,用鋼板對凸?fàn)钷r(nóng)產(chǎn)品加載時(見圖b),其試驗物料的彈性模量可用下式計算: 用直徑為d的剛球?qū)ν範(fàn)钷r(nóng)業(yè)物料加載(圖b)時,可用下式求出物料的彈性模量:二、彈性參數(shù)及測定原理E :試驗物料的彈性模量D :在接觸點試件的變形:試件的泊松比R :試件在接觸點的最小曲率半徑 :試件在接觸點的最大曲率半徑d :球形壓頭的直徑F :施加的外載荷K :系數(shù),它的數(shù)值取決于物料
6、在接觸點的主曲率半徑以及主曲率的法向平面之間的夾角。(詳細請參閱農(nóng)業(yè)物料學(xué)(周祖鍔)P46) 二、彈性參數(shù)及測定原理 當(dāng)物體為球形時(圖a), ,鋼板對球形物料加載時可用下式求出彈性模量: 用鋼球?qū)η蛐挝锪霞虞d時(圖a),可用下式求出彈性模量 :式中 R:物料半徑 r:球形壓頭半徑二、彈性參數(shù)及測定原理 用剛性模作為加載裝置(圖示)研究物料力和變形關(guān)系時可用布森聶理論確定物料的彈性模量。在壓模作用下,物料變形D和力F之間關(guān)系可用下式表示 :物料的泊松比 r :壓模半徑 E:物料彈性模量所以: 該式給出了由力和變形關(guān)系曲線的斜率、泊松比和壓模半徑計算物料彈性模量的方法。由于泊松比變化范圍為0到0
7、.5,所以彈性模量E的變化范圍將是 到 。二、彈性參數(shù)及測定原理 利用平行平板、光滑球頭和圓柱形壓模對整麥粒加載,然后用赫芝和布森聶方法分別計算其彈性模量,得出麥粒的彈性模量如下表所示。由表可知,壓模加載法求得彈性模量值最低,球形壓頭加載法所得彈性模量值最高。 由于農(nóng)業(yè)物料的力和變形關(guān)系曲線一般為S形的,鋼模加載其單位面積壓力較低。在曲線的初始區(qū)段求值,得出彈性模量值較低。用球形壓頭加載時,單位面積壓力較高,在曲線的較陡部分求值,得出彈性模量值較高。三、粘彈性參數(shù)及測定 研究農(nóng)業(yè)物料粘彈性和確定它們在己知變形和已知載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和時間之間的關(guān)系,可采用多種試驗方法。如前所述,若應(yīng)力或應(yīng)
8、變保持得足夠小,可以認為物料具有線性粘彈性的假定是正確的。這些重要試驗包括應(yīng)力一應(yīng)變、蠕變、應(yīng)力松弛和動態(tài)試驗等。(一) 隨時間而變的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系 農(nóng)業(yè)物料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系實際上是隨加載速率而變的。 三、粘彈性參數(shù)及測定 農(nóng)產(chǎn)品在外力作用下,通過應(yīng)變速率顯示出它們存在這種時效現(xiàn)象。因此,在評價農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量時,如肉的鮮嫩度、谷粒的硬度、水果和蔬菜的結(jié)實度時,其壓縮試驗機在進行試驗期間必須保證提供不變的加載速率。否則當(dāng)壓頭在任何給定的位移時,隨著加載速率的變化,力的讀數(shù)也會起變化。三、粘彈性參數(shù)及測定 (二) 蠕變試驗 試驗時所施加的力不能超出物料的彈性極限點,否則會引起大的應(yīng)變,它將不再呈現(xiàn)出線
9、性粘彈性。在這種情況下,用流變模型來表示物料特性將不再有效。 農(nóng)業(yè)物料蠕變特性的流變模型一般可用伯格斯模型表示。 三、粘彈性參數(shù)及測定三、粘彈性參數(shù)及測定 若已知常值應(yīng)力 ,則零瞬時彈性模量 可根據(jù)瞬時應(yīng)變 求出。參數(shù)確定: 延遲彈性模量 ,可根據(jù)曲線的加載部分或卸載部分的 值計算而得, 流動參數(shù) 可從卸載曲線達到平衡后的曲線部分求出。已知常值應(yīng)力 和蠕變時間 t,則可從實驗值 中求出粘度 。三、粘彈性參數(shù)及測定 (此式右邊則根據(jù)上述已知) 若令 :; 延遲時間可由方程式 求出。該式可寫成如下形式: 則上式的左邊部分即為t時間內(nèi)的延遲彈性變形量,并可寫成: 其結(jié)果為一條直線。此直線的斜率為 ,
10、根據(jù)此斜率即可求出時間常數(shù) 。由于 ,所以已知 和 ,則伯格斯模型中開爾文元件的 即可求出。三、粘彈性參數(shù)及測定 延遲時間 也可用作圖法求出,如下圖所示。在蠕變曲線上開始蠕變的初始位置畫曲線的切線,該切線與蠕變曲線直線部分的延長線交點的橫坐標(biāo)即為延遲時間 。蠕變曲線上任意點的切線斜率為 : 當(dāng) t=0 時,其切線斜率為:由圖可知,該式充分證明了圖解法是正確的。 三、粘彈性參數(shù)及測定三、粘彈性參數(shù)及測定 三、粘彈性參數(shù)及測定 由于在載荷作用下物料的變形是保持不變的,所以一般假定在做應(yīng)力松弛試驗期間加載的接觸面積是保持不變的,因此所記錄的力和時間關(guān)系完全可以代表應(yīng)力和時間的函數(shù)關(guān)系。麥克斯韋模型:
11、廣義麥克斯韋模型:(三) 應(yīng)力松弛試驗三、粘彈性參數(shù)及測定 從應(yīng)力松弛試驗中得到的最重要的粘彈參數(shù)之一是應(yīng)力松弛時間。如前所述,松弛時間是麥克斯韋體中應(yīng)力衰減到初始應(yīng)力的1/e所需要的時間。分析應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)的第一步是繪制應(yīng)力對數(shù)和時間的關(guān)系曲線。如果得出的圖線是直線,則物料具有麥克斯韋體特性,其松弛時間可由直線斜率確定。 由麥克斯韋體應(yīng)力松弛方程式可知:兩邊取對數(shù)得: 由上式可知,麥克斯韋體應(yīng)力松弛方程式在半對數(shù)坐標(biāo)系中是一條直線,其截距為 ,直線斜率為1/2.3Ts。三、粘彈性參數(shù)及測定 但是,在大多數(shù)情況下,應(yīng)力對數(shù)和時間的關(guān)系曲線是非線性的。下圖為小麥面團的應(yīng)力松弛曲線。這時,物料的流變
12、性質(zhì)不能用一個麥克斯韋元件表示,需把一系列麥克斯韋元件以并聯(lián)方式聯(lián)結(jié),構(gòu)成了廣義麥克斯韋模型。在這種情況下,將出現(xiàn)一個應(yīng)力松弛時間譜。廣義麥克斯韋模型的應(yīng)力松弛時間可以利用逐次余數(shù)法確定。 三、粘彈性參數(shù)及測定試驗表明,當(dāng)紫花苜蓿莖稈的含水量為40(w.b),并在有底的圓筒內(nèi)壓縮到255kPa時,它的應(yīng)力松弛特性可用四項指數(shù)項表示:含水率為18.5%,變形為45.5%的豌豆,應(yīng)力松弛曲線可用下式表示:t 靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)試驗的主要缺點: 第一,為了得到物料完整的粘彈性數(shù)據(jù)所需試驗時間較長,這可能使生物物料引起化學(xué)和生理學(xué)的變化,這種變化將影響到物料的物理特性; 第二,在開始實驗時很難做到施加一個真
13、正的瞬時載荷或瞬時變形。采用動態(tài)試驗方法能有效地克服這些缺點。三、粘彈性參數(shù)及測定三、粘彈性參數(shù)及測定在動態(tài)試驗中試件的應(yīng)變是由隨時間作正弦變化的應(yīng)力產(chǎn)生的。以頻率 作周期性的實驗,在數(shù)量上是與時間為 的試驗等效的,這就有可能在非常短的時間內(nèi)提供大量的實驗數(shù)據(jù)。(4)動態(tài)試驗 像彈性模量等參數(shù)可在短時間內(nèi)在各種頻率和溫度下測定。另外,動態(tài)試驗時施加到物料上的應(yīng)變特別小(通常在1%以內(nèi)),這保證了物料呈現(xiàn)線性粘彈性特性。在用線性粘彈性理論預(yù)測物料特性時保證小的應(yīng)變是一項基本要求。 動態(tài)試驗可分為四類: (1)正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變法 (2) 共振法 (3) 超聲脈沖法 (4) 機電阻抗法。 正弦交變
14、應(yīng)力一應(yīng)變法以及共振法已被一些研究者用于說明各種農(nóng)業(yè)物料的化學(xué)成分、質(zhì)地和成熟度等特征。這里僅簡單敘述正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變法。三、粘彈性參數(shù)及測定正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變法 在正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變法中,線性粘彈性物料受到正弦變化應(yīng)力作用時,應(yīng)變也將隨應(yīng)力以相同頻率作正弦變化,并且滯后應(yīng)力一個相位角 ,如果物料上施加的應(yīng)力為 其中 為應(yīng)力的振幅,是角頻率,則應(yīng)變?yōu)?粘彈性物料變形時,部分能量作為勢能貯存(在彈性元件中),部分能量消耗轉(zhuǎn)化為熱(在粘性元件中)。動態(tài)粘彈性可根據(jù)測定的復(fù)數(shù)模量 和相位角 加以確定。復(fù)數(shù)模量 與頻率相關(guān),它可分解成實部和虛部。實部對應(yīng)于貯存能,虛部對應(yīng)于損耗能。正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變
15、法式中 E1-實部或貯存模量 E2-虛部或損耗模量 復(fù)數(shù)模量 的模(絕對值)是用實驗方法,根據(jù)物料直接測定的應(yīng)力、應(yīng)變曲線中的應(yīng)力峰值 和應(yīng)變峰值 之比求出。所以E1、E2可分別表示為: 應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位角可從正弦變化的曲線中求出: 式中 是角頻率, 是應(yīng)力和應(yīng)變峰值間的時間間隔。相位角正切 稱作阻尼因數(shù),有時也稱內(nèi)摩擦系數(shù),它可由下式求出: 在計算農(nóng)業(yè)物料動態(tài)彈性模量和相位角中,如果物料幾何形狀是圓柱體或矩形桿,則參數(shù)計算是比較簡單的。應(yīng)力振幅 是由峰值力和試樣橫截面積之比求出。應(yīng)變振幅是由沿試樣全長的峰值位移求出。在這類幾何體中,試樣長度是有重要影響的。如果試樣長度太長則必須考慮慣性的
16、影響。然而,如果樣品長度和波長相比,其值是小的,則慣性影響可忽略不計,不會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。波長 可由下式計算:正弦交變應(yīng)力一應(yīng)變法式中 和 分別為物料的密度和試驗的頻率。 在對完整的農(nóng)產(chǎn)品,如水果、谷粒和雞蛋試驗時,物料不具有規(guī)則的形狀,此時,使用赫芝方程是無效的。雖然已經(jīng)證明赫芝方程用于凸形表面的粘彈性物料上是正確的,但該方程只有在靜載荷或準(zhǔn)靜載荷下才能成立。對于凸?fàn)钗矬w動態(tài)試驗時,彈性模量可由下面的經(jīng)驗公式計算: 式中F是峰值力,D是峰值位移,d是樣品和接觸平面間的平均接觸半徑。 例: 對玉米硬質(zhì)胚乳切片進行動態(tài)拉伸試驗。已知切片橫截面積尺寸為0.87mm3.40mm,初始長度為5.8
17、mm,含水率為5%(d.b)。變形曲線的峰值為3010-3mm,力曲線峰值為12.1N。記錄紙移動速度為25mms,一個完整的循環(huán)為15mm。力和變形正弦曲線間的時間位移為0.7mm。求試件的復(fù)數(shù)模量和相位角。應(yīng)變峰值 :最大應(yīng)力: paMPa 四、模擬試驗 質(zhì)地、外觀和味道是涉及食品質(zhì)量的三個主要組成部分。質(zhì)地主要是指消費者在嘴中咀嚼食品以及其它感官感覺的綜合評定,例如硬度、柔軟度、結(jié)實度、成熟度、韌度、膠粘性、多汁性、沙性、油性、彈性、酥性等。 評價食品質(zhì)地的方法主要有:主觀評價和客觀評價主觀評價是由食品質(zhì)地品評小組的感覺印象,對食品質(zhì)量作出主觀判斷。客觀評價是利用儀器測定一定的物理量用以
18、表示質(zhì)地。 用儀器對質(zhì)地評價主要有基本流變特性試驗和模擬試驗兩種。 四、模擬試驗基本流變特性試驗是測定其應(yīng)力、應(yīng)變和時間的關(guān)系,并將其流變特性和某種質(zhì)地之間的相關(guān)性進行分析(比如魚糕),從而作為評定食品質(zhì)地的指標(biāo)。模擬試驗是設(shè)計一種或多種機械試驗,模擬人嘴的咀嚼作用或人手的觸覺,作為評價食品質(zhì)地的工具以代替人的感官評價。 剪切壓力儀、凝膠儀、壓縮儀、柔軟度儀、嫩度儀、纖維度儀、成熟度儀 一般用剪切儀測定新鮮蔬菜、水果的成熟度和質(zhì)地,測定肉、牛排的嫩度;成熟度在結(jié)實度儀上測定,先在物料上施加預(yù)應(yīng)力,加上載荷后,測定在給定時間內(nèi)物料的變形,模擬用手握水果和蔬菜測定結(jié)實度的方法。 試驗結(jié)果表明,用單一的儀器測定,不
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