馬　征，李耀明，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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油菜莖稈彈性力學(xué)特性試驗研究

馬征，李耀明，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：油菜莖稈的彈性力學(xué)特性是在油菜顆粒物料運動理論研究中所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此,采用TA-XT2i型物性測定儀對收獲期的油菜莖稈整體、油菜莖稈內(nèi)海綿體及油菜莖稈外殼分別進(jìn)行了彈性力學(xué)特性試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了擬合和對比分析。結(jié)果表明：在加載階段，油菜莖稈整體和油菜莖稈外殼的受力均隨著加載深度的增加而增加，顯示出較明顯的彈性特征，但油菜莖稈內(nèi)海綿體則由于其松散的結(jié)構(gòu)在加載深度超過2mm后出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象。研究結(jié)果可為后續(xù)油菜顆粒運動研究提供參考。

關(guān)鍵詞：油菜；莖稈；力學(xué)特性

0引言

近年來，隨著稻麥機械化收獲技術(shù)的日益成熟和油料作物重要性的日益凸顯，油菜的機械化聯(lián)合收獲受到了越來越多的重視。然而，現(xiàn)對于稻麥而言，由于受到油菜特殊的生物力學(xué)特性的制約，油菜的機械化聯(lián)合收獲尚存在一些困難需要克服，這些困難在中國的油菜機械化聯(lián)合收獲進(jìn)程中表現(xiàn)得尤為明顯。例如，由于收獲期的油菜含水率比較高導(dǎo)致在連續(xù)的機械化收獲時清選部分出現(xiàn)油菜脫出物粘附堵塞篩面的問題[1-3]。此外，一些涉及油菜物料顆粒運動的研究中也需要一些相應(yīng)的油菜生物力學(xué)特性做支撐[4]。因此，開展油菜的生物力學(xué)特性研究十分必要。

典型材料的力學(xué)特性研究一般包括材料的拉、壓、彎、扭等方面。近年來，生物材料的力學(xué)特性研究受到普遍的重視，相關(guān)的研究工作也日益增多[5-7]。雖然生物材料有別于常見的工程材料(如金屬、固體塑料等)，但目前常規(guī)的生物材料力學(xué)特性研究在研究手段和研究思路上仍然遵循著經(jīng)典的力學(xué)特性研究方式。油菜莖稈屬于生物材料，是油菜物料顆粒運動研究中需要涉及到的重要成分。文獻(xiàn)檢索表明：很多農(nóng)作物材料都具有較為鮮明的粘彈特性，但目前尚無有關(guān)油菜的粘彈特性研究；另一方面，材料的粘彈性往往可以通過拉壓試驗的辦法加以觀察判斷和量化研究。因此，本文將著重通過垂直加壓試驗的方法對油菜莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行研究和分析，希望能為其它相關(guān)研究提供基礎(chǔ)性支撐。

1材料與方法

1.1試驗設(shè)備與材料

試驗所采用儀器是英國產(chǎn)的TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀(見圖1)，由電腦、控制鍵盤、加載試驗臺和探頭組件等組成，能執(zhí)行的移動距離范圍為0.1～295mm，力傳感器的解析精度0.025%，可設(shè)置的移動速度范圍為0.1～10mm/s，可裝配的加載探頭夾具有針狀、柱狀和球狀等多種形態(tài)。本試驗中，經(jīng)過預(yù)備試驗，選擇鋁制的直徑為3mm的圓柱形探頭夾具作為試驗中的施壓探頭。

圖1　TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀

試驗中所用的油菜莖稈均采集于收獲期，油菜為甘藍(lán)型油菜，栽植方式為移栽。試驗所用油菜莖稈均取自油菜植株的中部，含水率約74%。收獲期的油菜莖稈呈現(xiàn)內(nèi)外兩層的結(jié)構(gòu)，外層為彈性強度較大且較為致密的莖稈殼體，內(nèi)層為結(jié)構(gòu)松散的白色棉絮狀海綿體，如圖2所示。試驗所用油菜試樣分為兩種：一種是圓柱狀的油菜莖稈，長約3cm，直徑范圍為9.28～12.49mm，用于油菜莖稈整體的徑向力學(xué)試驗和油菜莖稈內(nèi)部海綿體的力學(xué)試驗(沿莖稈軸向加載)；另一種是去除海綿體后的片狀油菜莖稈殼體，用于油菜莖稈殼體的力學(xué)試驗，如圖3所示。

圖2　油菜莖稈結(jié)構(gòu)

(a)

(b)

1.2試驗方法

試驗分別以油菜莖稈整體、油菜莖稈內(nèi)部海綿體和油菜莖稈殼體為試驗對象，并分別設(shè)置3種不同的加載深度作為試驗的考察因素(見表1)分別測試其力學(xué)特性。試驗時，先將測試對象置于載物臺的中央位置(見圖4)，然后再將圓柱形探頭快速下移到測試對象上方附近位置，再通過程序設(shè)置使圓柱形探頭以0.5mm/s的速度開始加載到指定深度，并保時180s，最后按照程序設(shè)置圓柱形探頭以2.0mm/s的速度上移卸載。每次試驗均采用新鮮的油菜莖稈試樣。

(a)

(b)　　　　　　　　　　　　(c)

Table 1Loading depth of 3 kinds of test samples of rape stalks

mm

2結(jié)果分析

2.1加載階段的油菜莖稈彈性

考慮到一階多項式中一階項系數(shù)(即斜率)能直接反應(yīng)材料彈性系數(shù)這一直觀物理意義，在接下來對加載階段的曲線擬合中，本文均采用最簡單的一階多項式進(jìn)行多項式擬合，有

F=c1·d+c0

(1)

其中，F(xiàn)表示加載力(N)；d表示加載深度(mm)；c1和c0為擬合待定系數(shù)。在擬合過程中，均以95%的置信區(qū)間給出c1和c0的擬合值，同時計算出擬合結(jié)果的和方差(SSE-The sum of squares due to error)、決定系數(shù)(R-square-Coefficient of determination)、校正后的決定系數(shù)(Adjusted R-square-Degree-of-freedom adjusted coefficient of determination)和標(biāo)準(zhǔn)差(RMSE-Root mean squared error)。

使用matlab(R2008a)的擬合工具箱，按照公式(1)對試驗所得的加載階段力值F和加載深度d進(jìn)行一階多項式擬合，并將擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)點列在一起，如圖5、圖6和圖7所示。同時，將擬合評價參數(shù)值和多項式系數(shù)擬合值(及其置信區(qū)間)列在一起，如表2、表3、表4所示。

2.2油菜莖稈整體

在3種加載深度條件下，將油菜莖稈整體徑向加載階段的擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)點列在一起，如圖5所示。同時，將分析所得擬合評價參數(shù)值和擬合系數(shù)值列在一起，如表2所示。

由圖5及表2可見：擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，這說明，在3種加載深度條件下，用一階多項式擬合出的直線均能較好地反映出試驗數(shù)據(jù)在加載階段的線性關(guān)系，從而也說明油菜莖稈整體在徑向加載階段顯示出了較明顯的彈性特征。同時，還可以看出：在加載深度分別為1.5、2.0、2.5mm的條件下，根據(jù)試驗值擬合出的一階項系數(shù)c1值分別為29.52、27.48、22.16；這說明，隨著加載深度的增加，油菜莖稈整體的彈性系數(shù)在不斷下降，反映出油菜莖稈整體的彈性特征隨著加載深度的增加而逐漸削弱。

圖5　油菜莖稈在加載階段的測試值和擬合值

深度/mmc1(95%置信區(qū)間)c0(95%置信區(qū)間)SSER-squareAdjustedR-squareRMSE1.529.52(28.85,30.19)-0.06482(-0.6597,0.5301)19.230.99640.99630.81432.027.48(26.27,28.69)3.355(1.946,4.764)200.30.98180.98142.2662.522.16(20.59,23.73)7.93(5.634,10.23)892.20.94130.94024.224

2.3油菜海綿體

在3種加載深度條件下，將油菜莖稈內(nèi)海綿體加載階段的擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)點列在一起，如圖6所示;同時，將分析所得擬合評價參數(shù)值和擬合系數(shù)值列在一起，如表3所示。

由圖6可見，在3種加載深度條件下所得到的實測加載F-d數(shù)據(jù)點整體上并不呈現(xiàn)直觀上的線性關(guān)系，僅在加載的初始階段(d<2mm時)顯示出一定的線彈性，但隨后F就隨著加載深度的線性增加而波動性地增加(尤其是在加載深度d=6mm和d=9mm的條件下)，這說明油菜莖稈內(nèi)海綿體在外力加載過程中出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力屈服現(xiàn)象?？紤]到油菜莖稈內(nèi)海綿體結(jié)構(gòu)的松散，在連續(xù)加載時出現(xiàn)應(yīng)力屈服的情況并不意外。

圖6　油菜海綿體在加載階段的測試值和擬合值

深度/mmc1(95%置信區(qū)間)c0(95%置信區(qū)間)SSER-squareAdjustedR-squareRMSE30.6036(0.5133,0.6939)0.3911(0.2339,0.5484)5.680.7520.74780.310360.2296(0.2086,0.2505)0.4447(0.3718,0.5176)4.930.79780.79610.203590.1297(0.1185,0.141)0.4668(0.4082,0.5254)7.1890.74310.74160.2004

盡管如此，本文還是使用一階多項式擬合出了油菜莖稈內(nèi)海綿體在全部加載階段的趨勢線，用來直觀地反映油菜莖稈內(nèi)海綿體在受到加載力時的全程宏觀力學(xué)特征。結(jié)合表3和圖6可見，雖然相對于油菜莖稈整體的力學(xué)特性擬合結(jié)果而言，對3種加載深度條件所得油菜莖稈內(nèi)海綿體的力學(xué)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行一階多項式擬合的確定系數(shù)0.74

2.4油菜莖稈外殼

在3種加載深度條件下，將油菜莖稈外殼加載階段的擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)點列在一起，如圖7所示；同時，將分析所得擬合評價參數(shù)值和擬合系數(shù)值列在一起，如表4所示。

由圖7可見：當(dāng)對油菜莖稈外殼的加載深度設(shè)定分別為d=0.5mm和d=1.0mm時，所得測試數(shù)據(jù)顯示出了較明顯的線性增加特征；當(dāng)加載深度設(shè)定為d=1.5mm時，所得測試數(shù)據(jù)顯示F在d>0.5mm之后迅速增加，這主要是由油菜莖稈外殼的厚度較薄所致(僅為2.1～2.8mm)。但結(jié)合圖7和表4可見：對這3種加載深度條件下所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階多項式擬合之后，擬合方程的決定系數(shù)均較高(R2>0.92)；同時，隨著設(shè)定的加載深度由0.5mm增大為1.5mm，擬合直線的斜率從9.42增大到了26.54，也從宏觀上說明了油菜莖稈外殼在加載階段的彈性特征隨著加載深度的增加而增強。

3結(jié)論

本文以加載保持深度為考察因素，通過彈性加壓試驗和擬合分析研究了油菜莖稈整體、油菜莖稈內(nèi)海綿體和油菜莖稈外殼的生物力學(xué)特征。研究發(fā)現(xiàn)：在加載階段，油菜莖稈整體和油菜莖稈外殼的受力均隨著加載深度的增加而增加，顯示出較明顯的彈性特征，但油菜莖稈內(nèi)海綿體則由于其松散的結(jié)構(gòu)在加載深度超過2mm后出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象。

圖7　油菜莖稈外殼在加載階段的測試值和擬合值

深度/mmc1(95%置信區(qū)間)c0(95%置信區(qū)間)SSER-squareAdjustedR-squareRMSE1.526.54(23.63,29.44)-6.924(-9.517,-4.332)410.20.92050.91783.6981.013.19(12.79,13.58)0.483(0.2461,0.7199)1.540.99590.99570.27750.59.42(8.208,10.63)-0.3475(-0.7222,0.02716)0.9820.96770.96450.3134

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Experimental Research of Elastic Mechanics of Rape Stalks

Ma Zheng, Li Yaoming, Xu Lizhang

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education & Jiangsu Province, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract：Biomechanical properties of rape stalks are basic data for the theoretical research of the motion of rape particles.TA-XT2i texture analyzer was used to test biomechanical properties of a complete rape stalk, the husk of a rape stalk and the inner sponge of a rape stalk.Fitting & comparison analysis from the view of elastic mechanics were made.The result shows that the stress loaded on rape stalks and rape husks increased with the loading depth, but the stress loaded on the inner sponge of a rape stalk begin to yield when loading depth exceed 2mm.The study could provide reference and basis for rape particles research work.

Key words：rape; stalk; mechanicas

文章編號：1003-188X(2016)05-0187-05

中圖分類號：S183

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：馬征(1983-)，男，江蘇泰興人，博士研究生，(E-mail)benmamazheng@gmail.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51375214)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項目(11KJA460002)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2011469)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(蘇財教﹝2011﹞8號)；江蘇省度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0624)

收稿日期：2015-04-10