韩训梅

摘   要：核桃作为营养丰富的一种坚果，备受人们的喜爱，由于其坚硬的外壳，人们需要使用工具才能打开，市面上的核桃钳大多数不够美观。通过对核桃破壳受力的有限元分析，进行核桃钳结构的设计，旨在保证其实用性的基础上，使其具有工艺品一样的外观，且符合人体工程学理论。

关键词：核桃钳  有限元分析  人体工程学

中图分类号：TH122                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（b）-0088-02

Abstract： Walnut， as a nutrient-rich nut， is loved by people. Because of its hard shell， people need to use tools to open it. Most of the walnut pliers on the market are not beautiful enough. Through the finite element analysis of walnut shell breaking force， the walnut clamp structure is designed to ensure its practicability， make it have the same appearance as handicraft， and accord with the theory of ergonomics.

Key Words：Walnut pliers; Finite element analysis; Ergonomics

核桃又名羌桃，是世界四大干果之一，已经有2000多年的栽培历史，深受人们喜爱[1]。但是由于其坚硬的外壳，导致其食用困难，需要借助工具才能剥开，市场上的一些夹核桃的工具都是类似钳子一样的外观，而且夹持力无法控制，核桃夹碎难以收拾，为此，需要设计一款兼顾美观与实用性的核桃钳。

1  核桃的有限元分析

1.1 核桃受力分析

要夹破核桃，肯定是一对集中力或两对集中力或多对集中力施加在核桃上。核桃挤压方向不同，受力情况和挤压时所需的最大变形量亦有所不同[2]。从史建新，赵海军等人的基于有限元分析的核桃脱壳技术研究中可以了解到核桃有效施力方式是两对集中力，施力位置是沿侧棱缝合线方向在最高处的两边对称分布，产生裂纹所需的变形量最小[3]。

1.2 核桃的尺寸与形状

市场上核桃品种繁多，各项数据差异很大，现选用河北的“石门核桃”为试验样品，统计100个核桃的尺寸几何数据，经过测量得出平均几何参数：平均质量为14g，外形近似圆形，表面光滑。

1.3 建立物理模型

1.3.1 网格划分

考虑到有限元划分的特点以及核桃尺寸，采用自由网格划分的形式对核桃进行网格划分，有限单元的边长设为3mm，由于果实结构的对称性，进行受力分析时可采用1/2的对称模型进行分析[4]。图1为网格划分后的有限元模型。

1.3.2 核桃破壳的有限元受力分析

对核桃采用固定约束，将集中力载荷施加在Y轴与核桃的交点处，依据模拟仿真结果可知所需施加的力大小为31.85kg/cm2，核桃的应力分析云图如图2所示。

在本模型中，将核桃壳体看成是一种线性材料体，为简化模型不考虑壳体不同位置的材料性质不同，使得核桃模型的简化存在一定的不足。此外，还未考虑核桃本身的其他因素（如含水率等）对破壳的影响，这些有待于以后更进一步地深入研究[5]。

2  核桃钳结构设计

2.1 方案设计

目前市场上有很多种类的核桃钳：剪式，其夹核桃的力道由使用者决定，使用这种核桃夹很难保证核桃的完整性;轴向挤压式，由原来的直接夹核桃变为驱动杆来挤压核桃，同样的这个力不好控制而且弹簧存在疲劳寿命;三刀螺旋式，其结构过于复杂，体积也很大，不适合安放;下压式，原理同剪式核桃夹，只是由原来的两个活动副变为一个固定副一个活动副。

比较上述各种核桃钳，其中下压式和螺旋式是两种比较好的结构。

下压式结构，其底座一定得足够重或足够大，这样才能近似成为固定副，虽说可以做成大型的工艺品，但是作为一款量产的产品，要考虑其量产能力，其外形尺寸不能太大，所以这种结构不适合量产。

螺旋式结构主要是通过螺纹的旋紧与松开控制所在位置，并且在没有震动的情况下能够保证相对位置不变，这种结构用在核桃夹上便能控制施加压力的大小以免施力过大，并且体积可以设计得很小巧，市场上大多数的核桃夹都不能控制施力的大小，所以把螺旋结构用在核桃夹上是一个创新之处。

综合以上两点，本次设计选用螺旋式破壳方法来对核桃钳的结构及其外观进行设计。

2.2 手柄设计

到目前为止，很多产品都在向侧重人体舒适性的方向发展，小到一枚纽扣，大到汽车、飞机，都在细微处折射出以人为本的思想。螺旋式核桃钳由手柄和底座两部分组成。

手柄是我们与核桃钳直接接触的地方，所以手柄的设计是整个核桃钳中的重中之重，此部分的设计得符合人体工程学。在大量实验后，我们得出大多数人手握感最舒适的柱体直径为20～25mm左右。当人手握拳时掌心处间隙最大，虎口与底部的间隙小，总体来说握拳时手心间隙形状类似橄榄形。为了实现这样的曲线，实现曲线的自然过渡，此手柄的设计采用了9个不同尺寸的圆相切成的连续曲线，既保证了握感的舒适，又符合人们的审美，还保证了加工可行性，如图3所示。

2.3 底座设计

核桃夹底座作为夹碎核桃的主体，首先得有一个放核桃的槽，其次得有一个配合手柄的M16的螺纹孔使两者能够配合，结考虑到手柄外观以及手柄尺寸对底座尺寸进行设计。最终确定底座尺寸在60～70mm左右，外观设计与一个铃铛类似，如图4所示。

3  結语

本次设计的工艺核桃夹兼具了工艺性与实用性，使本产品具备了市面上大多数的核桃钳所不能同时兼顾的两个优点：夹持力的可控性与外形的美观性。很好的解决了核桃夹放在显眼处不和谐的尴尬境地。

参考文献

[1] 潘月红，周爱莲.我国核桃产业发展现状、前景及对策分析[J].中国食物与营养，2012（5）：22-25.

[2] 王维，贺功民，王亚妮.核桃的力学特性及有限元分析[J].中国农机化学报，2103，34（6）：103-106.

[3] 史建新，赵海军，辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J].农业工程学报，2005（3）：185-188.

[4] 闫茹，高警，郑甲红，等.基于Workbench的核桃破壳力学特性分析[J].农机化学研究，2014（10）：38-41.

[5] 周军，史建新.气爆式核桃破壳有限元力学分析[J].农机化学研究，2014（12）：65-69.