بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه تغییر ویژگیهاي ارتعاشی یک رقم خربزه زرد در مراحل مختلف برداشت با استفاده از نرمافزار آباکوس - ABAQUS - مورد بررسی قرار گرفت. مراحل برداشت عبارت بودند از: مرحله اول - نابالغ - ، مرحله دوم - شروع رسیدگی - ، مرحله سوم - رسیدگی متوسط - ، مرحله چهارم - رسیده - و مرحله پنجم - بیشرسیده - . براي به دست آوردن مدل هندسی و غیر کروي از یک میوه خربزه، روش ترسیمی مورد استفاده قرار گرفت.
خصوصیات ارتعاشی این نوع خربزه و ارتباط رفتار آن با ویژگیهاي هندسی و خصوصیات مکانیکی مواد با کمک روش عددي بررسی شد. نتایج نشان داد که در طول فصل رشد، فرکانسهاي طبیعی با افزایش ضریب کشسانی میوه افزایش و با افزایش جرم مخصوص و جرم میوه کاهش مییابد. به طوریکه ضریب کشسانی و جرم میوه به شدت فرکانس را تحت تأثیر قرار میدهند. نتایج این مطالعه پایه و اساس تحقیقات بیشتر بر روي خصوصیات فیزیکی میوهها و سبزیجات را با استفاده از روش المان محدود فراهم میکند.
مقدمه
خربزه از جنس Cucumis، گونه Melo و تیره یا خانواده کدوییان - کدوسانان، - Cucurbitaceae با نام علمی کوکومیس مِلو - Cucumis melo L. - میباشد. کدوییان که به آنها گیاهان جالیزي نیز گفته میشود داراي 90 جنس و 750 گونه بوده و انواع زراعی مهم آن هندوانه، خیار، خربزه، طالبی، گرمک و انواع کدوها میباشد. خربزه داراي بخشهاي مختلفی میباشد. برونبر - Epicarp - قشر بیرونی، سفت و مقاومی است که به قسمت نرمتر و گوشتی به نام میانبر - Mesocarp - کاملاً چسبیده است.
درونبر - Endocarp - داراي بخشهایی است که توسط دیواره - Septum - از یکدیگر جدا شدهاند. در داخل این بخشها دانهها - Seeds - قرار دارند - پیوست، . - 1384 روشهاي ارزیابی کیفیت محصولات کشاورزي مخرب و غیر مخرب هستند. این روشها شامل شئگرا - مبتنی بر قرائتهاي ابزار اندازهگیري - و فردگرا - مبتنی بر قضاوت انسانی - هستند. روشهاي غیر مخرب زیادي براي اندازهگیري مؤلفههاي کیفی محصولات بیولوژیکی نظیر میوهها و سبزیجات توسعه یافته است و بر اساس اصول اندازهگیريشان به روشهاي نوري، دینامیکی و الکترومغناطیسی تقسیمبندي میشوند. مثالهایی از کاربرد عملی این روشها عبارتند از: روش نوري براي اندازهگیري محتواي ماده جامد قابل حل هلو، گلابی، سیب، مرکبات، خربزه و هندوانه، روش دینامیکی براي ارزیابی بلوغ و عیوب داخلی هندوانه و روش الکترومغناطیس براي تخمین محتواي ماده جامد قابل حل هندوانه
هنگامی که جسمی در محدوده فرکانسهاي شنیداري یا غیر شنیداري تحریک میشود، شروع به ارتعاش میکند. در فرکانسهاي خاصی شدیدتر مرتعش و باعث دامنههاي بلندي خواهد شد که تشدید نام دارد. فرکانسهاي تشدید با کشسانی، اصطکاك داخلی یا میرایی، شکل، اندازه و جرم مخصوصارتباط دارد. در محصولات هم شکل و هم اندازه، گوشت میوه سفتتر فرکانس تشدید بالاتري دارد
فرکانس تشدید توسط Abbott و همکاران - 1968 - ، Abbott و - 1994 - Liljedahl و 1970 - Finney، 1971 و - 1972 گزارش شده است. از یک ارتعاشگر براي القاي سیگنال به نمونه استفاده و پاسخ مواد توسط دریافت کنندهيا - مثلاً یک شتابسنج - متصل به سطح محصول اندازهگیري میشود. فرکانس تشدید رابطه نزدیکی با سفتی محصول دارد، خصوصیت ذاتی هر ماده بوده و متأثر از اندازه و شکل نمونه است. روش دیگر تعیین فرکانس تشدید بر اساس پاسخ به ضربه است. میکروفون غیر تماسی به جاي شتابسنج براي دریافت صدا و آونگ ساچمهاي به جاي سامانه ارتعاشی قرار گرفته و صدا به طور همزمان ضبط میشود .
اندازهگیري فرکانسهاي تشدید مواد بیولوژیکی در تعیین صلبیت بافت گیاه - Tissue Rigidity - و برآورد فشار تورمی - Turgor Pressure - کاربرد دارد
در تعیین سفتی هلو از فرکانس تشدید دوم - Clark - and Shackelford, 1973، در سیب از فرکانس تشدید دوم و سوم - Abbott and Liljedahl , 1994 - و در آناناس از فرکانس تشدید اول استفاده شده است
پترو و همکاران - 2012 - خواص مکانیکی نوعی دانه روغنی - Jatropha Curcas - را در سه مرحله از دورة رشد در بارگذاري فشاري با روش المان محدود مطالعه کردند. آنها نتیجه گرفتند که روش روش المان محدود - FEM - در بهینهسازي و طراحی دستگاه روغن کشی میتواند مفید واقع شود.
روش المان محدود - Finite Element Method - روشی عددي است که میتوان آن را براي حل مسائل پیچیدة مهندسی و تحلیل تنشهاي وارد به جسم بارگذاري شده استفاده کرد. مسائلی که با روشهاي معمولی تحلیلی قابل حل نیست و یا مستلزم انجام آزمایشهاي پرهزینهاند، با مدلسازي توسط این روش به حل قابل قبولی میرسند . - Rao, 2005 - تحقیقات نشان میدهد که روش آنالیز مودال یک روش غیر مخرب و مفید جهت تعیین سفتی میوه میباشد. هدف از این تحقیق تعیین فرکانسهاي طبیعی خربزه در مراحل مختلف رشد با استفاده از روش المان محدود و نرمافزار آباکوس به منظور تشخیص رسیدگی آن میباشد.
مواد و روشها
ابن تحقیق بر روي رقم خربزه صادراتی زرد ایوانکی در پنج مرحله از رشد انجام شد. مراحل رشد عبارت بودند از: مرحله اول - نابالغ - ، مرحله دوم - شروع رسیدگی - ، مرحله سوم - رسیدگی متوسط - ، مرحله چهارم - رسیده - و مرحله پنجم - بیشرسیده - . جهت تعیین فرکانسهاي طبیعی خربزه توسط روش المان محدود، اطلاع از مشخصههاي فیزیکی و مکانیکی محصول مورد نیاز است.
مقادیر مشخصههاي فیزیکی و مکانیکی خربزه صادراتی زرد ایوانکی در پنج مرحله برداشت از کار پژوهشی قبلی استخراج شده است
به منظور تعیین خواص مکانیکی، آزمون فشردگی روي نمونههاي بافت میوه صورت گرفت. از نمونهگیرهاي استوانهاي فلزي که به سه نظام دریل دستی بسته میشوند، براي تهیه نمونهها استفاده شد. از بافت هر خربزه چهار نمونه به شکل استوانه با میانگین قطر 14 میلیمتر و ارتفاع 14 میلیمتر تهیه و توسط دستگاه تست یونیورسال ساخت شرکت سنتام ایران تحت بارگذاري فشاري تک محوري قرار گرفت. ضریب کشسانی از روي بخش اول منحنی که تقریباً خطی و تغییر شکل آن نسبتاً کم است، به دست آمد. براي دستیابی به نتایج قابل اعتماد و حذف تغییرات بیولوژیکی تعداد 20 نمونه براي هر رقم خربزه انتخاب شد. سرعت بارگذاري در تمام آزمونها 25 میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شد
حل به روش اجزاء محدود یک روش عددي است که در آن فرکانس طبیعی و شکل مودها - الگوي تغییر شکل در طول ارتعاش - توسط نرمافزار آباکوس محاسبه و آنالیز میشود. در مدل المان محدود بارگذاري فشاري، جنس گوشت میوه به صورت الاستوپلاستیک در نظر گرفته شد. خواص الاستیک خطی با وارد کردن ضریب کشسانی و نسبت پواسون تعریف میشود. براي تعریف خواص پلاستیک، از منحنی تنش کرنش و در محدودة سخت شوندگی - Hardening - به صورت تصادفی نقاطی انتخاب، تنش و کرنش پلاستیک متناظر آن نقاط به نرمافزار وارد شد. گام اول در مدلسازي المان محدود ایجاد مدلی هندسی دقیق است.
به دلیل اهمیت بالاي این موضوع در تهیه 20 عدد خربزه در هر مرحله از رشد، براي اندازه گیري خواص هندسی دقت شده است که از نمونههايهم شکل و تقریباً هم اندازه استفاده شود. چون مدل المان محدود در حالت تقارن محوري است باید از المانهاي مخصوص این حالت که دو بعدي هستند، استفاده شود. در مشبندي گوشت خربزه از المانهاي نوع CAX8R استفاده شده است. این المانها مستطیلی هستند و از 8 گره تشکیل شدهاند. در واقع علاوه بر گرههاي گوشه، گره دیگري در وسط اضلاع وجود دارد که امکان استفاده از تابع شکل غیر خطی - درجه - 2 را براي درونیابی میسر میکند. براي مشبندي گوشت 2408 المان و 5343 گره استفاده شد
شکل «1» نحوه مشبندي میوه خربزه و نمونه ایجاد شده در نرمافزار آباکوس
در روش المان محدود، شرایط مرزي میتواند نتایج را تا حد زیادي تحت تأثیر قرار دهد. در واقع هرچه شرایط مرزي تعریف شده به واقعیت نزدیکتر باشد، جوابهاي معتبرتري به دست خواهد آمد. در مسئله فشار نمونه میوه بین دو سطح موازي، این شرایط به نحوي است که گرههاي واقع بر میوه که در تماس با سطح پایینی هستند، در سه جهت اصلی حرکتی ندارند و گرههاي در تماس با سطح بالایی به صورت یکسان و با هم به سمت پایین در حرکت هستند؛ و در طی بارگذاري بر تعداد این گرهها افزوده میشود. چون در این تحقیق مدلسازي به صورت تقارن محوري انجام شده، بنابراین شرایط مرزي در محیط سه بعدي تعریف میشوند. از آنجا که صفحه فشار پایینی ثابت است، جابجایی آن در دو جهت x ، y و z همچنین چرخش آن حول محور z مقید شد. همچنین گرههاي گوشت میوه فقط می توانند در راستاي Y - قائم - حرکت داشته باشند.
