Właściwości wytrzymałościowe

9.1. Właściwości wytrzymałościowe

Wyznaczenie podstawowych właściwości wytrzymałościowych badanych odmian marchwi miało na celu uzyskanie wiarygodnych i spójnych danych wejściowych do pro-gramów obliczeniowych MES oraz zidentyfikowanie parametrów mających istotne zna-czenie ze względu na wyznazna-czenie nacisków powierzchniowych.

Z uwagi na zróżnicowanie właściwości materiału biologicznego oraz konieczność późniejszej walidacji modelu MES w oparciu o przemieszczenia odrzucono dosyć po-wszechnie stosowaną możliwość bezpośredniego korzystania z danych literaturowych obejmujących właściwości wytrzymałościowe materiału biologicznego przy budowie modelu dyskretnego produktu rolniczego. Między innymi Lewis [2008] wykonał mo-del dyskretny jabłka w oparciu o stałe materiałowe (moduł sprężystości, stałą Poissona i naprężenia niszczące) uzyskane przez Abbotta i Lu [1996] oraz Mohsenina [1970]. Rów-nież Wu i Pitts [1999] zbudowali model pojedynczej komórki jabłka, wykorzystując dane dotyczące właściwości wytrzymałościowych elementów komórki uzyskane przez Pitta i Davisa [1984a, 1984b] oraz Mohsenina [1986]. Podobnie postąpili Dintwa i in. [2008], budując bardziej zaawansowany model jabłka, uwzględniający właściwości reologiczne i pozwalający na badania w warunkach obciążeń dynamicznych. Właściwości wytrzy-małościowe przyjął na podstawie prac prowadzonych wcześniej przez różnych autorów [Hamann 1970, Jindal i Mohsenin 1976, Mohsenin 1977, Wu i in. 1994, Gołacki i Stro-pek 2001, Van Zeebroeck 2005]. Właściwości tkanki jabłka, będące zależne od czynnika czasu w postaci czteroparametrowej funkcji relaksacji naprężeń, zostały zapożyczone z pracy Gołackiego i Stropka [2001]. W efekcie tak przyjętej metodyki powstały modele, które dostatecznie dobrze odzwierciedlały rzeczywisty obiekt badań, ale były trudne do walidacji ze względu na brak odpowiednich wyników badań.

właściwo-na wartość modułu sprężystości ma okres i warunki przechowywania surowca do badań. W tym wypadku zmiany są nieco mniejsze i na przykład wyznaczone w próbie ściskania mieszczą się w przedziale od 8,73 MPa bezpośrednio po zbiorze do 8,08 MPa po czterech miesiącach przechowywania [Szot, Gołacki 1987].

Przyjmując założenie, że moduł sprężystości i stała Poissona mają stanowić para-metry opisujące właściwości surowca pod kątem nacisków powierzchniowych, dane do-stępne w literaturze mogły stanowić jedynie punkt odniesienia. W literaturze brakuje in-formacji pozwalających na ocenę wpływu właściwości wytrzymałościowych na wielkość nacisków powierzchniowych. W związku z tym uznano za konieczne przeprowadzenie pomiarów właściwości wytrzymałościowych wybranych do badań odmian marchwi bez-pośrednio przed pomiarem rozkładu nacisków powierzchniowych. Otrzymane wyniki porównywano jednak na bieżąco z danymi dostępnymi w literaturze.

Przy wyborze metodyki wyznaczania własności wytrzymałościowych świadomie zrezygnowano z rozwiązań nowatorskich, nieopisanych jeszcze w literaturze, takich jak np. zastosowanie wideoestensometru czy systemu cyfrowej korelacji obrazu, a oparto się na sprawdzonej metodyce gwarantującej uzyskanie wiarygodnych i łatwych do weryfi-kacji wyników pomiarów.

Po wnikliwej analizie, wykorzystując wyniki prac innych autorów, odrzucono me-tody wyznaczania stałych materiałowych w próbie zginania [Kapsalis i in. 1972, Szot i Gołacki 1987], ścinania [Aubcrt i in. 1979, Szot i Gołacki 1987], rozciągania [Verlinden i in. 1994, Szot i Gołacki 1987] czy przy użyciu penetratora [Kuczyński i Bzowska-Baka-larz 1987, Bzowska-BakaBzowska-Baka-larz i Kuczyński 1987] i zdecydowano się na przeprowadzenie pomiarów w próbie ściskania. Moduł sprężystości wyznaczono metodą stycznych, [Go-łacki i in. 1987, Sitkey 1986], natomiast do wyznaczenia stałej Poissona użyto metodę Hugesa i Segerlinda polegającą na wyznaczeniu modułów sprężystości przy ściskaniu swobodnym i nieswobodnym [Gołacki i Obroślak 1998]. Obie metody są szczegółowo opisane w literaturze przedmiotu, co pozwoliło na bieżącą kontrolę poprawności uzy-skanych wyników. Po każdorazowej serii pomiarów porównywano otrzymane wyniki z wartościami dostępnymi w literaturze. Nie odbiegały one w znaczący sposób od danych innych autorów, a pojawiające się rozbieżności wynikały ze zróżnicowania właściwości materiału biologicznego i na ogół nie przekraczały kilkudziesięciu procent w wypadku modułów sprężystości oraz kilku procent w wypadku stałej Poissona.

9.2 Model dyskretny

Jednym z podstawowych etapów prac zmierzających do powstania modelu dys-kretnego jest budowa modelu geometrycznego badanego obiektu. Lewis [2008] zbudo-wał model geometryczny jabłka Golden Delicious, wykorzystując obraz powstały po zastosowaniu skanera laserowego i importując go do programu obliczeniowego ANALY-SYS-DYNA. Pozwoliło ta na wierne odwzorowanie zewnętrznego kształtu konkretnego jabłka, natomiast nie umożliwiło wyznaczenia kształtu pozostałych warstw przyjętych przy budowie modelu (tzn. miąższu i rdzenia). W rezultacie przyjęto uproszczony kształt

tych warstw zbudowany w oparciu o analizę przekroju poprzecznego jabłka. Podobne podejście do budowy modelu MES zaprezentowali Wu i Pitts [1997] w trakcie modelo-wania pojedynczej komórki parenchymy jabłka. Przeprowadzili oni precyzyjne pomiary kolejnych przekrojów poprzecznych wybranej komórki parenchymy, a następnie wyko-nali model 3D precyzyjnie odwzorowujący kształt komórki. Taki sposób modelowania, poza niewątpliwą zaletą, jaką jest odwzorowanie rzeczywistego kształtu badanego obiek-tu, ma kilka istotnych wad. Należy do nich zaliczyć między innymi trudności w inter-pretacji uzyskanych wyników, wysokie koszty budowy modelu oraz istotne wydłużenie czasu obliczeń. Natomiast Dintwa i in. [2008] zrezygnowali z precyzyjnego odwzorowa-nia rzeczywistego obiektu badań i zbudowali wyidealizowany, trójwarstwowy, 3D model geometryczny w postaci połowy jabłka odmiany Jonagold, wygenerowany poprzez obrót cienkiego fragmentu modelu wokół osi pionowej jabłka.

Po rozważeniu wszystkich argumentów przy budowie modelu geometrycznego korzenia marchwi zdecydowano się na przyjęcie założeń upraszczających, zdając sobie sprawę z konsekwencji, jakie te uproszczenia mogą spowodować. Podobnie jak Dintwa i in. [2008] przyjęto osiowosymetryczny kształt trójwarstwowego modelu, a analizie nu-merycznej poddano jedynie jego część. Pozwoliło to na ograniczenie czasu obliczenio-wego bez negatywnego wpływu na efekty obliczeń.

Następnym, niezmiernie ważnym krokiem prowadzącym do powstania modelu dyskretnego, jest sposób doboru właściwości wytrzymałościowych materiału biologicz-nego. W literaturze przedmiotu daje się zauważyć brak jednolitej techniki wprowadza-nia danych obejmujących właściwości wytrzymałościowe do programu obliczeniowego. Wynika to zarówno z przyjętego modelu, w oparciu o który przeprowadzona jest analiza numeryczna, jak i z dostępu do odpowiednich danych oraz sposobu późniejszej walidacji modelu. Najprostszy sposób wybrał Lewis [2008], który do swojego modelu wprowadził dane w postaci stałych materiałowych, zgodnych z liniową teorią sprężystości. Zupełnie inaczej postąpili Dintwa i in. [2008], którzy co prawda zrezygnowali z uwzględnienia anizotropii materiału biologicznego, twierdząc, że nie ma to istotnego wpływu na wyniki badań, ale analizę przeprowadzili w oparciu o czteroparametryczny model Maxwella, dobrze opisujący lepko sprężyste własności materiału biologicznego.

Po szczegółowym przeglądzie przedstawionych modeli, przy budowie modelu korzenia marchwi zdecydowano się na uwzględnienie nieliniowości i anizotropii właści-wości wytrzymałościowych tkanki. Natomiast z uwagi na duże wartości odkształcenia korzenia marchwi analizę numeryczną, podobnie jak Kędzior [2005] przeprowadzon, używając modelu Arrudy-Boyce’a.

Oddzielnym zagadnieniem jest walidacja zbudowanego modelu MES. Najczęściej jest ona przeprowadzana w oparciu o wielkości będące celem modelowania. Zarówno

Z uwagi na brak w literaturze przedmiotu danych dotyczących pomiarów prze-mieszczeń w materiałach biologicznych zdecydowano się na zaadaptowanie metodyki znanej z pomiarów materiałów konstrukcyjnych. Do wyznaczenia map przemieszczeń wykorzystano metodę interferometrii plamkowej (ESPI), a do wyznaczenia rozkładów przemieszczeń metodę fotografii plamkowej oraz pomiary przeprowadzone w programie AutoCad.

Dynamiczny rozwój aparatury pomiarowej stwarza obecnie możliwość wyzna-czania rozkładów przemieszczeń na całej powierzchni przekroju poprzecznego materia-łów pochodzenia biologicznego w pełnym zakresie obciążenia. W szczególności dotyczy to możliwości, jakie daje zastosowanie wideoekstensometru oraz systemów cyfrowej korelacji obrazu (DIC) Q-400 służącego do analizy pola odkształceń (3D). Podstawo-wą zaletą tych systemów jest powtarzalność wyników w szerokim zakresie odkształceń próbek. Punkty pomiarowe wybierane są automatycznie na podstawie analizy poziomów szarości w obszarach, w których umieszczono znaczniki. Punkty te w miarę wzrostu od-kształcenia są śledzone automatycznie z dokładnością zapewnioną przez ciągłą analizę poziomów szarości. Próbkowanie następuje z częstotliwością 100 milisekund (10 Hz). Każdy brak pewności co do identyfikacji punktów pomiarowych w trakcie obciążania powoduje przerwanie testu. Taki sposób przeprowadzenia pomiarów eliminuje błędy, których źródłem są decyzje podejmowane przez człowieka. Należy przypuszczać, że w najbliższym czasie metody te staną się ważnym narzędziem niezbędnym do wyznacza-nia pola przemieszczeń, a co za tym idzie właściwości wytrzymałościowych materiałów pochodzenia biologicznego.