适宜核桃壳划口位置改善其破壳特性提高整仁率

郑 霞，张恩铭，坎 杂，张宏文，李红斌，丑维新



适宜核桃壳划口位置改善其破壳特性提高整仁率

郑 霞1,2，张恩铭1,2，坎 杂1,2，张宏文1,2，李红斌3，丑维新1,2

（1. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832000；2. 农业部西北农业装备重点试验室，石河子 832000； 3. 新疆科神农业装备科技开发股份有限公司，石河子 832000）

针对目前传统单一的机械破壳方式存在的破壳率和整仁率难以平衡的问题，该文以预处理视角研究了对新疆核桃进行破壳前划口预处理的静态压力试验，试验结果表明，核桃划口预处理相比未处理核桃的破壳力和破壳形变量明显减小，整仁率明显增加；当核桃划口位置和施加载荷位置均在核桃肚部时，核桃破壳力和破壳形变量均明显减小，与未处理的核桃相比破壳力减小了139 N，减幅为38.4%；破壳形变量减小了0.37 mm，减幅为18.2%；利用三维扫描仪对研究对象进行三维建模，使其更接近物料实形，并实施模型核桃划口处理。有限元静力学分析结果表明：未划口处理的核桃，其壳体表面最大应变、应力和形变发生在加载位置；当加载力相同时，划口预处理条件下在核桃划口位置产生的应变、应力和形变量最大；当核桃划口位置和加载位置均在核桃肚部时，核桃壳表面产生的应变、应力和形变量均较大。该研究结果经验证与静态压力试验结果基本吻合。研究结果为核桃划口机和核桃破壳设备的研制提供理论支撑。

有限元法；开裂；划口；核桃；预处理

0 引 言

核桃属于胡桃科，核桃属，具有很高的营养价值和保健功能[1]，核桃是世界上重要的坚果之一，是四大坚果之首。核桃仁内含油率很高，居所有木本油料首位，是十分重要的食用油料资源[2]。中国是核桃的六大主产国之一，核桃栽种数量和栽种面积均居世界首位[3]。2014年，中国的核桃总产量达271.37万t，2020年产量预计可达300万t[4]。新疆是中国重要的核桃主产地之一[5]，新疆核桃果仁酥脆细腻，香味浓郁，含油率高，品质好，深受消费者喜爱。但随着核桃产量的增加，以原果形式直接销售势必会因贮藏和运输成本高、商品率低、用途受限、附加值低而严重影响核桃产业的综合效益，对核桃进行综合开发和破壳取仁后精深加工已成为推动核桃产业可持续发展的必然选择。

解决核桃的破壳加工问题首先要涉及对核桃的物理特性进行研究和分析[6]。目前，中国学者对核桃物理特性如，核桃的品种、形状、尺寸、内部结构和壳厚度等[7]做了相关分析研究工作，为核桃加工设备的研制提供了一定的理论依据。但是，由于其工具软件对核桃物理特性分析建模结果与实际壳体存在一定的差距，加上因核桃物理特性参数选取问题而存在较大误差等问题，造成一些理论研究结果不能很好反映出核桃的主要特征。因此，有必要对核桃的纵径、横径、棱径、球度、壳厚和缝合线密度等物理特性进行更全面的分析研究，从而建立与核桃实际情况接近的三维模型，同时获得分析软件中所需的准确的核桃物理特性参数值，从而为研究设计开发新型核桃破壳加工设备提供更加可靠的理论参考。

目前，新疆农业大学的史建新研究团队、新疆农垦科学院的李忠新研究团队、塔里木大学的张宏研究团队、陕西科技大学的郑甲红研究团队等核桃加工设备研究团队均对未处理的核桃物理特性进行了很多研究工作，但预处理对核桃物理特性影响的研究还比较少[3,7-9]。近年来一些学者研究发现，对坚果实施划口预处理有利于核桃破壳，还便于带壳坚果食品加工时入味。中国农业大学肖红伟等人设计了一种板栗激光划口机，为提高板栗后续爆腰加工的效果提供了技术基础[10]。陕西科技大学郑甲红等设计了一种锯口挤压式核桃破壳机，先对核桃进行锯口，然后对核桃进行挤压破壳，该机更有利于核桃破壳，提高破壳质量[11]。只介绍了锯口挤压式核桃破壳机但并没有进一步研究不同划口方式和加载力方式对破壳特性的影响。

本文结合分析核桃破壳的相关物理特性。通过静态压力试验研究，利用有限元分析建模和仿真，获得破壳前实施划口处理的位置和实施加载力的位置和大小等关键参数，为核桃划口机的设计提供技术支撑。

1 试验装置

DF-9000动静态万能材料试验机（高铁科技股份有限公司），试验力测量范围：20～1 000 N，位移分解度0.001 mm。该仪器主要用于材料的剪切、压缩、拉伸、弯曲等测试，且本试验装置的精度比较高，可以满足试验的要求。0～150 mm游标卡尺，其精度为0.02 mm，0～25 mm千分尺，其精度为0.001 mm，电热鼓风干燥箱（上海一恒）温控范围：10～250 ℃。锐龙4100切割机（永康市石柱锐龙工具厂），空载转速13 000 r/min，锯片厚度2 mm。

2 试验材料选择研究分析

2.1 核桃品种

新疆核桃。目前新疆栽培面积最为广泛的核桃品种主要有扎343、新丰、温185、温179、新新2号和新早丰等品种，通过对比分析，从中选取划口预处理对核桃破壳特性影响的最佳研究对象。

扎343中我国的推广品种之一，果型大，卵圆形，果基圆，果顶小而圆，壳面光滑，缝合线窄而平，结合较紧密，果仁饱满。新丰核桃早实丰产，坚果短卵形，较光滑，缝合线凸起且结合十分紧密，核仁饱满[12]。温185与179相似，典型的坚果圆形，壳面光滑美观，果仁饱满，偶尔有露仁果，缝合线较松[13]。新新2号坚果中等大，坚果圆形或长圆形，果基圆，果顶渐尖，似桃形，壳面光滑美观，缝合线窄而平，结合紧密，核仁饱满。新早丰坚果椭圆形，果基圆，果顶渐尖，壳面光滑，缝合线平，结合十分紧密，核仁饱满[14]。

2.2 核桃的物理特性

刘明政等发现，核桃外形尺寸越大，所需破壳力就越大[15]。核桃的壳厚越厚，缝合线越紧密度，机械强度越大[16]。核桃缝合线处壳的厚度最大，紧密度最大，破壳时碎仁率高[15]。

因为核桃形状不规则，在此定义各轴均通过核桃中心，核桃沿长轴方向的直径为纵径，核桃垂直缝合线短轴方向的直径为横径，核桃沿缝合线短轴方向的直径为棱径。在核桃棱或核桃肚划口位置如图1所示。

图1 核桃各径向图

6种核桃外形各有差异，既有椭球形的，也有球形的。用球度来表示核桃的外形特征，近似程度用球度公式表示为[17]

壳仁之间的距离在不同位置稍有差异，用核桃3个不同位置壳仁之间的距离平均值为核桃的壳仁间隙，壳仁间隙公式表示为

式中球度即核桃接近球体的程度；D近似球体直径即核桃近似球体直径的尺寸，cm；D最大直径即核桃最大直径的尺寸，cm；sn壳仁间隙即核桃壳于核桃仁之间间隙的尺寸，mm；纵径即核桃沿长轴方向上的最大尺寸，cm；横径即核桃垂直缝合线短轴方向上的最大尺寸，cm；棱径即核桃沿缝合线短轴方向上的最大尺寸，cm；仁纵径即核桃仁沿长轴方向上的最大尺寸，cm；仁横径即核桃仁垂直缝合线短轴方向上的最大尺寸，cm；仁棱径即核桃仁沿缝合线短轴方向上的最大尺寸，cm；壳厚即核桃外壳的厚度尺寸，mm；随机选取6种核桃各100个，用游标卡尺测量核桃的壳厚、纵径、横径、棱径、仁纵径、仁横径和仁棱径，利用球度公式，求出球度。对各数值进行统计整理，如核桃的壳厚、纵径、横径、棱径、球度、壳仁间隙的平均值及标准差，如表1所示。

表1 6种核桃的物理特性和几何尺寸

利用壳仁间隙公式，测得这6种核桃的桃壳仁间隙范围在1.3～2.1 mm之间，壳仁间隙的平均值为1.68 mm。这和核桃破壳时所产生的形变量及其破壳效果有关，当核桃的破壳形变量小于壳仁间隙时才能保证核桃的整仁率。

由表1可知，核桃的球度在0.82～0.91之间。又因为壳仁之间有间隙，在破壳时可以忽略核桃仁，其核桃壳可简化为薄球壳[15,18]，可将其三维模型建成薄球壳。因此，将核桃破壳的过程简化为薄球壳体的破壳过程。

3 核桃静态压力试验

用DF-9000动静态万能材料试验机对未处理和预处理的核桃分别沿横径方向和棱径方向进行静态压力试验，测试的试验数据会被电脑记录下来，可以得到核桃在破壳过程中的相关数据和曲线图。

3.1 试验材料处理

核桃在破壳取仁过程中，含水率对核桃破壳效率和破壳质量影响较大[9,19-21]。采用烘干法测这批核桃的含水率，对每组核桃试样取到后立即称量，每组核桃试样取2～3个核桃试样称量并记录数据，数据精确到0.001 g。然后将同组的核桃试样一并放入干燥箱内，温度设定105 ℃，干燥8 h后，将核桃试样进行称量，接下来每隔2 h对选定核桃试样称量1次。直到最后2次选定的桃试样称量只差不超过0.002 g，认为核桃试样达到全干。将全干核桃放入到装有干燥剂的干燥容器内，待冷却到室温再称重，计算核桃试样的含水率。最终测得这批新丰核桃含水率平均数标准差为（11.7±1）%。利用锐龙切割机对分组后的新丰核桃进行划棱预处理和划肚预处理。

3.2 物理参数的计算方法

为了更细致表达核桃破壳后的效果和核桃仁的完整程度，定义核桃的整仁率和破壳率。不需继续破壳可取出仁的核桃为破壳核桃。核桃仁出口时，根据核桃的完整程度进行分类，半仁和大半仁被称之为一露仁，1/4仁和比1/4大的三角仁被称之为二露仁，比1/4仁小的仁被称之为碎仁[22]。试验参数有：破壳率1、一露仁率1、二露仁率2、整仁率3[23]。

式中0为核桃总个数；1为破壳核桃个数；0为核桃仁总质量；1为一露仁质量；2为二露仁质量

3.3 试验方法

选取纵径接近4.36 mm，横径接近3.32 mm，棱径接近3.42 mm的新丰核桃300个。将选取的新丰核桃分成3组，第1组是不做划口处理，第2组核桃是做划肚处理，第3组是做划棱处理。划口后的核桃如图2所示，图2a为划肚的核桃，图2b为划棱的核桃。用安装有2 mm厚锯片的锐龙切割机对新丰核桃进行划口，考虑到核桃给料时是纵径方向水平放置状态，对肚部和棱部实施划口处理是可以同时提高破壳率和整仁率的代表性的2个样本位置，从棱部侧面或肚部侧面的最高点进行切割划口，完全将核桃壳划透为止，一般划口宽度为0.28～0.37 cm之间，一般划口长度为1.75～1.93 cm。

图2 划口的核桃

再将各组核桃分成2小组，每组50个核桃，一组核桃实施沿横径方向加载压力，另一组的核桃实施沿棱径方向加载压力，如图3所示。将分类后的核桃放在DF-9000动静态万能材料试验机进行压力试验，加载速率设为15 mm/min，可以得到核桃破壳时的最大破壳力，核桃破壳达到最大破壳力时核桃壳所发生的形变量，并统计核桃的破壳率和整仁率。

图3 核桃施力图

3.4 试验结果

将试验数据输入到SPSS17.0软件中，各种划口于加载力方式组间的破壳力和破壳形变量的之间的差异采用单因素方差分析（ANOVA）。利用LSD法对各种划口与加载力方式组间的破壳力和形变量的差异进行两两比较，结果采用平均值标准差表示，均值差的显著性水平为0.05。分析结果显示破壳力各组数据2组之间的值均小于0.01，各组之间差异非常显著性。分析结果显示破壳形变量各组数据2组之间的值均小于0.01，各组之间差异非常显著性。将新丰核桃压力试验结果破壳率、整仁率、破壳力和形变量的平均值标准差数值填入到表2中。

由表2中数据可以计算出，未处理的新丰核桃沿横径实施加载力时比沿棱径加载力时所需的平均破壳力大93 N，未处理的新丰核桃沿横径加载力时破壳所需的平均形变量比沿棱径加载力时破壳所需的平均形变量大0.46 mm。未处理的新丰核桃沿横径实施加载力时整仁率为86%，未处理的新丰核桃沿棱径实施加载力时整仁率为78%，未处理的新丰核桃沿横径实施加载力时比沿棱径加载力时整仁率高8个百分点。

表2 新丰核桃压力试验结果

注：1-A为未预处理沿横向加载力，1-B为未预处理沿棱向加载力，2-A为划肚预处理沿横向加载力，2-B为划肚预处理沿棱向加载力，3-A为划棱预处理沿横向加载力，3-B为划棱预处理沿棱向加载力.

Note: 1-A means a loading force untreated along the transverse direction; 1-B means a loading force untreated along the edge direction; 2-A means a loading force with pretreatment by cutting belly of walnut shell along the transverse direction; 2-B means a loading force with pretreatment by cutting belly of walnut shell along the edge direction; 3-A means a loading force with pretreatment by cutting edge of walnut shell along the transverse direction; 3-B means a loading force with pretreatment by cutting edge of walnut shell along edge direction.

由表2中数据可以计算出，经过划肚预处理的新丰核桃与未处理的新丰核桃相比破壳力和破壳形变量均明显减小，当加载位置与划口位置重合都在肚部时，平均破壳力减小139 N，减幅为38.4%。平均破壳形变量减小0.37 mm，减幅为18.2%。当加载力方向与划口方向垂直时，平均破壳力减小18 N，减幅为6.6%。平均破壳形变量减小0.11 mm，减幅为7%。当加载位置与划口位置重合时，经过划肚预处理的新丰核桃比未处理的新丰核桃整仁率高12个百分点。当加载力方向与划口方向垂直时，经过划肚预处理的新丰核桃比未处理的新丰核桃整仁率高8个百分点。

由表2中数据可以计算出，经过划棱预处理的新丰核桃破壳力明显都比未经过预处理的新丰核桃破壳力小。当加载位置与划口位置重合都在棱部时，与未处理的新丰核桃相比，平均破壳力减小了32 N，减幅为11.9%。平均破壳形变量减小了0.21 mm，减幅为13.4%。当加载力方向与划口方向垂直时，与未处理的新丰核桃相比，平均破壳力减小了82 N，减幅为22.7%。平均破壳形变量减小了0.16 mm，减幅为7.9%。当加载力方向与划口方向垂直时，经过划棱预处理的新丰核桃比未处理的新丰核桃整仁率高2个百分点。当加载位置与划口位置重合时，经过划棱预处理的新丰核桃比未处理的新丰核桃整仁率高6个百分点。

综上可知，划肚预处理的核桃当加载位置与划口位置重合时，破壳力和形变量减小幅度最大，且破壳率和整仁率最高。

4 有限元静力学分析

4.1 三维建模扫描装置

Creaform Handyscan700手持式三维扫描仪，精度可达0.03 mm，分辨率可达0.05 mm。Creaform Handyscan700手持式三维扫描仪能够完成高分辨率的3D扫描，具有快速、准确完成扫描等优点。

4.2 建立三维模型

国外的Guner[24]和Mohsenin[25]等学者以及国内的史建新[26]和曹成茂[27]等学者均在三维绘图软件中绘制三维模型，再对未预处理的核桃进行有限元力学分析，研究核桃破壳过程中的力学特性。由于壳仁之间有间隙，在破壳时可以忽略核桃仁，其核桃壳可简化为薄球壳[17-18]。本文借助三维扫描仪进行三维建模，使核桃模型更接近核桃实际形状，再分别对未预处理的核桃、划肚预处理的核桃和划棱预处理的核桃进行有限元静力学分析，研究核桃划口处理对破壳特性的影响。

从这批新丰核桃中选出一个最接近平均尺寸的核桃。用三维扫描仪分别对该核桃和该核桃破壳后取出的完整分心木进行扫描，将核桃和分心木先后放在铺满反光型角形标志点的平面上，首先将三维扫描仪上的相机进行准确标定。三维扫描仪上的2个相机可以分别获得投影到核桃和分心木上的激光，该激光随核桃和分心木表面形状发生变化，三维扫描仪可以通过计算获得激光线所投影的线状三维信息。随着三维扫描仪移动，不断获得激光所经过位置的三维信息，从而形成连续的三维数据，完成扫描。再在VXelements软件中对扫描面数据进行预处理（即对核桃和分心木网格进行补洞、精简处理），导出核桃和分心木网格，保存为“STL”格式，在Geomagic Studio软件中对核桃和分心木网格进行精处理（平滑、平面优化等）操作，将处理后的核桃网格在SolidWorks Scan to 3D模块中生成曲面体，并对生成曲面体进行赋厚，新丰核桃壳厚设为1.48 mm，生成核桃壳体，将处理后的分心木网格在SolidWorks Scan to 3D模块中生成实体，将核桃壳体模型和分心木三维模型装配在一起，完成三维建模。

在SolidWorks软件中把建好的三维模型分别进行划肚预处理和划棱预处理，再将模型导入到ANSYS Workbench 模块进行静力学分析。

4.3 新丰核桃三维模型静力学分析结果与讨论

因为核桃壳是脆性材料，则核桃壳采用脆性断裂破坏强度准则。通过试验测定和查阅相关文献设定核桃壳和分心木的密度为470 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为10 MPa[26-28]。

划分网格对有限元分析的准确性和计算量有很大的影响[29]。对有限元模型进行自由网格划分，生成单元为SOLID65四面体单元，节点总数27 146，单元总数13 598，网格划分后的模型如图4所示。

图4 核桃网格图

大多数的约束和载荷可以施加在几何模型上，求解时ANSYS会自动将这些约束和载荷转换到节点和单元上。在核桃纵径方向两对称面指定约束，限制核桃壳发生位移，先后在核桃横径方向和棱径方向施加一对挤压力。由表2可算出不同划口方式和不同加载方式所需的平均挤压力为273 N，挤压力统一设为试验结果的平均力273 N，施加约束和加载力如图5所示。

图5 核桃施加载荷和约束图

首先将未处理、划肚预处理和划棱预处理的新丰核桃三维模型分别导入到ANSYS Workbench 模块，依次进行静力学分析，得到新丰核桃未处理、划肚预处理和划棱预处理的不同加载方向的应变云分析图、应力云分析图和总变形云分析图。如图6所示。

图6中最大应变、最大应力和最大形变量统计结果如表3所示。

由图6a和图6b可以看出，对未处理新丰模型加载力时，在加载位置出现最大应力和应变，应力和应变以加载位置为中心向四周逐渐扩散并且减小，加载位置形变量最大，核桃会从加载位置破壳。由表3可以看出对未处理的新丰核桃模型沿横径加载力产生的最大形变量为1.53 mm，沿棱径产生的最大形变量为1.64 mm，沿横径加载力产生的最大形变量比沿棱径产生的最大形变量小，说明未处理的新丰核桃的棱部比肚部更易开裂。

由图6c可以看出，对划肚的新丰模型沿横径加载力时，加载位置与划口位置重合，在加载位置出现最大应力和应变，应力和应变以加载位置为中心向四周逐渐扩散并且减小，加载位置形变量最大，核桃会从加载位置与划口重合位置破壳。由图6d可以看出，对划肚的新丰模型沿棱径加载力时，加载力方向与划口方向垂直，在加载位置和划口同时出现最大应力和应变，应力和应变以加载位置和划口为中心向四周逐渐扩散并且减小，加载位置和划口位置形变量最大，即核桃会从加载位置或者划口位置破壳。

由图6e可以看出，对划棱的新丰模型沿横径加载力时，加载力方向与划口方向垂直，在加载位置和划口同时出现最大应力和应变，应力和应变以加载位置和划口位置为中心向四周逐渐扩散并且减小，加载位置和划口所在的位置形变量最大，核桃会从加载位置或者划口位置破壳。由图6f可以看出，对划棱的新丰模型沿棱径加载力时，加载位置与划口重合，在加载位置出现最大应力和应变，应力和应变以加载位置为中心向四周逐渐扩散并且减小，加载位置形变量最大，核桃会从加载位置与划口位置重合处破壳。

4.4 有限元静力学分析讨论

由表3可以看出，对未处理的核桃加载相同的力，沿棱径加载力比沿横径加载力产生更大的形变量。史建新等对未处理的核桃进行有限元分析，发现在核桃棱部加载力更容易产生裂纹[26]。Koyuncu等研究人员对核桃做了挤压试验，试验结果显示挤压核桃棱所需的破壳力比挤压核桃肚所需的破壳力小[29]。本文对新丰核桃模型进行有限元静力学分析的结果也说明未处理的新丰核桃的棱部比肚部更易开裂，与静态压力试验未预处理核桃的试验结果相符。

由表3可以看出，对未处理和划口预处理的核桃在相同位置加载相同的力，划口预处理的核桃比未处理的核桃产生更大的应变，应力和形变量。美国海军对耐压球壳进行了试验，试验结果表明：球壳的破坏强度与局部初始缺陷的几何形状有关[30]，对核桃壳划口改变核桃壳的破坏强度。说明经过划口预处理的核桃更易破壳，与静态压力试验划口后的核桃加载相同位置所需的破壳力和破壳形变量更小相符。

由表3可以看出，对划肚预处理和划棱预处理的核桃加载相同的力，划口与加载位置重合比划口方向与加载力方向垂直时产生更大的应变、应力和形变量；划口和加载位置都在肚部比划口和加载位置都在棱部产生的更大的应变、应力和形变量。有人研究球壳的稳定性发现，完整的球壳加强筋不能增加球壳的稳定性，有初始缺陷的球壳加强筋可以增加球壳的稳定性[30]。核桃缝合线凸起就像在有初始缺陷的球壳上加强筋，综上可知，划口和加载位置都在肚部更有利于提高破壳率。与静态压力试验结果相符，静态压力试验结果显示核桃当加载位置与划口位置在肚部重合时，破壳力和形变量减小幅度最大。

图6 不同预处理方式和加载方向下新丰核桃应变、应力、总变形云分析图

表3 新丰核桃有限元分析结果

由图6可以看出，核桃模型的壳体表面最大应变、应力和形变量一般在加载位置或划口处。刘家宝等对球壳模型进行了有限元分析，将有限元分析与经验方法相结合得到结论是：对于有初始缺陷的球壳，其破坏往往是从缺陷处开始发生的[31]。核桃简化为薄球壳，那么划口就可以看作薄球壳的初始缺陷。当划口和加载位置都在肚部时，核桃会从肚部破壳。如图7所示，对破壳后的核桃进行观察不难发现核桃仁中间有个大缝隙，大缝隙中间是核桃的分心木，核桃的2个半仁只靠核桃仁大缝隙之间的一个结合点连接。核桃壳从肚部裂开可以使核桃仁沿大缝隙裂开，从而保证核桃的整仁率。这也为划肚预处理且横径加载力整仁率最高提供了理论依据。

图7 破壳的核桃

5 结 论

静态压力试验和有限元静力学分析结果表明：未处理的新丰核桃沿棱径加载力比沿横径加载力更易破裂。

静态压力试验和有限元静力学分析结果表明：划口预处理有效减小核桃破壳力和破壳形变量，经过划口预处理的核桃更易破壳。

静态压力试验表明：当核桃划口和加载位置均在核桃肚部时最有利于核桃破壳，核桃破壳力和破壳形变量减小最为明显，整仁率显著提高，与加载位置在肚部未处理的核桃相比破壳力减小139 N，破壳形变量减小0.37 mm，整仁率提高了12个百分点。

本研究对划口预处理的核桃进行了静态压力试验和有限元静力学分析，研究结果为核桃划口机和核桃破壳设备的研制提供了理论支撑。

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Improving cracking characteristics and kernel percentage of walnut by optimal position of cutting on shell

Zheng Xia1,2, Zhang Enming1,2, Kan Za1,2, Zhang Hongwen1,2, Li Hongbin3, Chou Weixin1,2

(1.832000,; 2.832000,; 3.832000,)

In view of the difficulty of balancing the cracking shell rate and the whole kernel ratio existing in the traditional single mechanical cracking shell method, this paper conducted the static pressure test of cutting treatment of Xinjiang Xinfeng walnut shell before broken from the pretreatment perspective. In order to more fully reflect the main characteristics of walnuts, the physical properties of walnuts were analyzed. The three-dimensional model of walnuts was built as a thin sphere shell, and three-dimensional modeling was performed with a three-dimensional scanner to make it more similar to real walnut shape. And cutting pretreatment of the model of walnut shell was implemented. Through the finite element static analysis of non-pretreated model of walnuts, the effects of the position of the walnuts shell pretreatment, the magnitude of the loading force and the position of the loading force on the strain, stress and deformation were studied. Through the static pressure test study, it is known that shell breaking force for the untreated Xinfeng walnut when loading force is along the transverse diameter is 93 N larger than that along the edge diameter of walnut. The deformation required to break the shell along the transverse diameter is 0.46 mm greater than that required along the edge loading force. Untreated Xinfeng walnuts had a whole kernel rate of 86% when loading force was applied along the transverse diameter, and a whole kernel rate of 78% along the edge diameter. When the loading force was applied for the untreated Xinfeng walnuts along the transverse diameter, the whole kernel rate is 8 percentage point higher than that along the edge diameter. After the belly cut pretreatment, the breaking force and broken shell deformation of Xinfeng walnut were significantly reduced. When the loading position was coincident with the cutting position, the shell breaking force was reduced by 139 N, a decrease of 38.4%, and the breaking shell deformation was reduced by 0.37 mm, a decrease of 18.2%. When the direction of the loading force was perpendicular to the cut direction, the breaking force was decreased by 18 N, a decrease of 6.6%. The shell deformation was reduced by 0.11 mm, a reduction of 7%. When the loading position coincided with the cut position, the whole kernel rate for Xinfeng walnut pretreated was 12 percentage point higher than that for the untreated Xinfeng walnut. When the direction of the loading force was perpendicular to the direction of the cutting, the whole kernel rate of Xinfeng walnut pretreated withcutting belly was 8% higher than that of the untreated Xinfeng walnut. After the suture line cutting pretreatment, the breaking force of the walnut was obviously lower than that of the walnut without pretreatment. When the loading position coincided with the cut position, the breaking force was decreased by 32 N, and the reduction was 11.9%. The shell deformation was decreased by 0.21 mm, a decrease of 13.4%. When the loading force direction was perpendicular to the cut direction, the shell breaking force was reduced by 82 N, a reduction of 22.7%. The broken shell deformation was reduced by 0.16 mm with a reduction of 7.9%. When the direction of the loading force was perpendicular to the cutting direction, the percentage of the entire Xinfeng walnut after the pretreatment of the suture line cutting was 2 percentage point higher than that of the untreated Xinfeng walnut. When the loading position coincided with the cut position, the whole kernel rate of Xinfeng walnuts with the suture line cut pretreatment was 6% higher than that of untreated Xinfeng walnuts. The finite element static analysis was performed using the related parameters of static pressure test. The results showed that when the same force was applied, the cut pretreated walnuts produced larger strain, stress and deformation on the shell surface of the walnut model than the untreated. The large strain, stress and deformation of the shell surface of the walnut model generally occurred at the loading position or at the cut position. And the maximum strain, stress and deformation were generated on the surface of the walnut shell when the walnut cut position and the position of loading force were both at the walnut belly. It is noted that the shells of the walnuts pretreated are easier to be broken, and the broken position is generally at the loading position or the cut position; when the loading position and the cutting position are at the walnut belly, it is most conducive to cracking. Analysis showed that when the walnut shell is cracked from the belly, it is more conducive to cracking the walnut along the large gap, so as to ensure the walnut whole kernel rate. The results of finite element static analysis basically agree with that of the static pressure test. The study can provide effective technical support for the development of walnut cutting machine and walnut cracking machine.

finite element method; crack; cutting; walnut; pretreatment

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.038

S266.4

A

1002-6819(2018)-19-0300-09

2018-05-05

2018-08-11

新疆兵团工业及高新技术科技攻关与成果转化计划项目（编号：2016AB003）

郑 霞，副教授，博士，主要从事农产品加工技术及装备研究。Email：124899256@qq.com

郑 霞，张恩铭，坎 杂，张宏文，李红斌，丑维新. 适宜核桃壳划口位置改善其破壳特性提高整仁率[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：300－308. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.038 http://www.tcsae.org

Zheng Xia, Zhang Enming, Kan Za, Zhang Hongwen, Li Hongbin, Chou Weixin. Improving cracking characteristics and kernel percentage of walnut by optimal position of cutting on shell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 300－308. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.038 http://www.tcsae.org