果蔬压差膨化脆片产品的质构力学性能主要取决于其孔隙结构,因此研究其结构与力学性能之间的关系,对开展产品质构调控有重要意义。由于果蔬压差膨化脆片产品呈多孔网状结构,且孔穴的大小、形状、结构及分布多样,采用单一实验方法研究果蔬脆片的力学性能,只能测试得到局部结果,难以形成系统性的经验结论。基于此,本文采用有限元数值模拟、经典力学模型预测与实验验证相结合的研究方法,建立果蔬压差膨化脆片的几何结构模型、力学性能数学模型,对脆片产品在静态压缩过程中的力学行为进行研究,以得到不同相对密度下脆片产品相对模量的变化及力学变形情况。主要研究内容及进展如下:(1)根据果蔬压差膨化脆片结构的几何特点,建立球形孔穴、六面体孔穴、菱形十二面体孔穴、十四面体孔穴模型的闭孔和开孔单胞及多胞模型,并构建果蔬脆片静态压缩力学性能的数学模型。(2)模拟了不同孔穴单胞模型的力学行为,结果表明,闭孔单胞模型压缩过程中的主要变形机制是孔穴壁面的屈服变形,开孔单胞模型主要是孔棱及各孔棱交界处的屈服变形。在研究的相对密度范围内,球形孔穴、六面体孔穴、菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴闭孔单胞模型相对模量值与理论值的最大差值分别0.1、0.04、0.041、0.01;四种模型相对模量与相对密度之间的关系拟合公式分别是E*/Es=0.720(ρ*/ρs)2+0.023(ρ*/ρs)+0.352;E*/Es= 1.382(ρ*/ρs)2 +0.286(ρ*/ρs)-0.002;E*/Es=0.641(ρ*/ρs)2+0.468(ρ*/ρs)-0.012;E*/Es =0.651(ρ*/ρs)2+0.312(ρ*/ρs)+0.003。其中球形孔穴、菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴闭孔单胞模型拟合公式比较接近,并与Gibson-Ashby理论经验公式(见公式3.5)比较吻合,三者脆性抗压强度的拟合公式与Gibson-Ashby理论经验公式(见公式3.7)也较吻合。四种开孔单胞模型相对模量模拟值与Gibson-Ashby理论值的最大差值分别是0.083、0.024、0.0324、0.0054,相对模量与相对密度之间的关系拟合公式分别是E*/Es＝1.025(ρ*/ρs)1.554;E*/Es=0.324(ρ*/ρs)1.011;E*/Es=2.103(ρ*/ρs)2.E70;*Es=0.484(ρ*/ρs)1.523。脆性抗压强度与相对密度拟合公式中,球形孔穴模型和十四面体模型的拟合方程更接近Gibson-Ashby理论值(见公式3.4)经验公式,综合相对模量拟合公式可知,球形孔穴、十四面体孔穴开孔模型与Gibson-Ashby理论模型较吻合。(3)在单胞模型研究结果的基础上,分别建立相对密度为0.375、0.05、0.06的球形孔穴、菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴闭孔多胞模型及相对密度为0.1、0.05、0.01的球形孔穴、菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴的开孔多胞模型,研究不同孔穴类型胞体个数变化时相对模量的变化,模拟过程中分别选择模型的二倍体、三倍体和四倍体,胞体的个数分别为9、35、91。结果表明,随着模型胞体数目的增加各模型的相对模量变化较小,其中,单胞体与二倍体相对模量变化较明显,因此,二倍体模型较适合用于研究多胞模型的力学性能。(4)对球形孔穴、菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴二倍体模型力学性能的研究结果表明,三种开闭孔模型的变形机制与同种孔穴单胞模型开闭孔模型相似,只是多倍体模型中存在孔穴壁面与壁面及孔穴孔棱与孔棱的连接,静态压缩条件下是由多个单倍体共同作用表现出的力学性能。三种二倍体闭孔模型相对模量与相对密度之间的关系拟合公式分别是E*/Es=0.672(ρ*/ρs)2+0.082(ρ*/ρs)+0.143;E*/Es = 1.878(ρ*/ρs)2+0.424(ρ*/ρs)-0.015;E*/Es = 1.836(ρ*/ρs)2+0.128(ρ*/ρs)+0.012,比较可知,菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴模型的拟合公式非常接近,与Gibson-Ashby理论经验公式(见公式3.5)吻合较好。模拟结果中三种闭孔二倍体相对模量模拟值与理论值的最大差值分别是0.125、0.08、0.09。脆性抗压强度与相对密度的拟合公式中,菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴模型的拟合公式非常接近,与Gibson-Ashby理论经验公式(见公式3.7)较为吻合。因此可知,菱形十二面体、十四面体孔穴二倍体闭孔模型与理论模型吻合较好。三种多倍体开孔模型相对模量与相对密度之间的关系拟合公式分别是E*/Es=2.7772(ρ*/ρs)2.101;E*/Es= 3.617(ρ*/ρs)2.310;E*/Es＝1.597(ρ*/ρs)1.860。脆性抗压强度与相对密度的拟合公式分别为σ*/σs=0.413(ρ*/ρs)2.094;σ*/σs=0.156(ρ*/ρs)1.259;σ*/σs=0.521(ρ*/ρs)1.894,可知三种模型相对模量与相对密度的拟合公式相似,与Gibson-Ashby理论经验公式(见公式3.2)进行对比,发现菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴二倍体开孔模型结果更吻合,脆性抗压强度与相对密度变化的拟合公式与理论经验公式(见公式3.4),可以得出同样的结果,综上可知,菱形十二面体孔穴和十四面体孔穴开孔二倍体模型与理论模型较吻合。(5)实验验证通过比较菱形十二面体孔穴、十四面体孔穴二倍体开闭孔二倍体模型数值模拟结果与实验值所得到的应力应变曲线,两者均表现出多孔结构的线弹性阶段及弹塑性平台阶段,实验结果在平台区表现出果蔬脆片脆性的基本特征,而模拟值平台区变化较为平缓,表现出多孔结构塑性的基本特征,二者的应力应变曲线整体变化趋势一致,模拟值与实验结果相似,数值上较接近。