張 濤，張鋒偉，孫 偉，孫步功，王 婷，吳建民※

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

大豆籽粒的化學-力學特性灰色關(guān)聯(lián)度及本構(gòu)模擬

張 濤1，張鋒偉2，孫 偉2，孫步功2，王 婷3，吳建民2※

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，蘭州 730070；3. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

為研究大豆籽粒在不同受載情況下的力學特性，探索其化學-力學特性之間的關(guān)系，該文選擇11種大豆籽粒在含水率為8.65%下對其進行化學組分、針尖壓入、剪切、壓縮試驗，并借助Abaqus軟件建立本構(gòu)模型，對壓縮試驗過程進行模擬仿真。力學試驗和模擬結(jié)果表明：所測大豆籽粒硬度為18.39～52.58 N/mm，大豆籽粒破損強度為3.65～

15.32 MPa，大豆籽粒極限剪切力為12.70～52.33 N，縱軸的抗剪能力明顯高于橫軸；不同壓縮形式和剪切方向分別對大豆籽粒破損強度和極限剪切力影響極顯著；試驗與仿真的載荷-變形曲線擬合良好，說明所建立的大豆本構(gòu)模型能夠分析研究其抗擠壓特性?；疑P(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明：與化學組分含量最為密切的力學指標是硬度與接觸剛度，其中硬度與粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗淀粉、粗纖維含量的關(guān)聯(lián)度分別為0.309 4、0.327 8、0.171 9、0.191 8，接觸剛度與其關(guān)聯(lián)度分別為0.220 6、0.283 7、0.186 9、0.133 4，粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量對硬度與接觸剛度的影響最大，其次是粗纖維素，粗淀粉含量。研究結(jié)果可為品質(zhì)預測和品種鑒別提供新的方法和依據(jù)。

力學特性；作物；模型；大豆籽粒；化學特性；灰色關(guān)聯(lián)度；本構(gòu)模擬

0 引 言

大豆是人類直接食用的營養(yǎng)物質(zhì)也是轉(zhuǎn)化為肉、蛋、奶的主要原料，可以供給熱能、修補體內(nèi)組織和調(diào)節(jié)生理功能。隨著生物化學和生命科學的發(fā)展，其藥用價值也越來越受到大眾養(yǎng)生的青睞，選育高蛋白質(zhì)或高淀粉的谷物及油料作物，已引起國內(nèi)外育種工作者普遍重視[1-2]。已有研究發(fā)現(xiàn)谷物的理化指標與力學特性之間存在一定的相關(guān)性，王巖等研究表明稻米剪切力與食味值呈顯著正相關(guān)，而與蛋白質(zhì)含量呈負相關(guān)[3]； Siebenmorgen等研究發(fā)現(xiàn)稻米整精米率與強度大（彎曲應(yīng)力大于20 N）的籽粒分布呈線性正相關(guān)[4]。周顯青等研究發(fā)現(xiàn)稻米的三點彎曲破碎力越大，其蒸煮食用品質(zhì)越好[5]。而且大豆籽粒在收獲、儲藏、加工等流通過程中均受到一定的機械作用[6]，Dong等研究發(fā)現(xiàn)在一定水分含量范圍內(nèi)，稻米籽粒的水分含量與力學特性呈負相關(guān)[7]；張黎驊等研究發(fā)現(xiàn)花生施壓方向、施壓速率、含水率對花生破碎力都成極顯著影響[8]。

盡管國內(nèi)外對小麥、玉米的理化品質(zhì)和力學特性研究較多[9-10]，但是研究對象和研究的力學特性指標比較分散，針對不同品種大豆籽粒之間化學-力學關(guān)系研究并不多見。豆類作物籽粒的化學品質(zhì)和力學特性是品種選育、原料應(yīng)用以及食用品質(zhì)的重要依據(jù)[11]。本研究將通過萬能試驗機對大豆籽粒進行針尖壓入、剪切、壓縮試驗，得到其相應(yīng)的力學特性指標，同時設(shè)計大豆籽粒的化學品質(zhì)試驗，借助Abaqus軟件對壓縮試驗進行本構(gòu)模擬，并對化學-力學特性進行灰色關(guān)聯(lián)度分析研究，以期為品種選育、食品加工工藝和綜合檢測提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試樣制備

試驗材料由甘肅省農(nóng)業(yè)科學院提供的通過國家審定且在全國大面積種植的共11個大豆品種，分別是遼豆34、南農(nóng)41、蒙1101、皖豆24、黑農(nóng)48、豫豆25、豐收24、北豆5號、鐵豐29、黑河43、合豐50。為減少隨機誤差，同一品種大豆要求粒形、質(zhì)量和色澤較為接近、無病蟲害、籽粒飽滿，且經(jīng)過統(tǒng)計得到不同品種籽粒大小所服從的正態(tài)分布，選擇具有代表品種粒徑大小的試樣。為使不同品種之間的力學特性具有可比性，將試樣含水率統(tǒng)一調(diào)整為8.65%，即先將大豆樣品烘至含水率為5%以下，根據(jù)干物質(zhì)質(zhì)量恒定不變原理，由公式（1）計算得目標水分時的加水量，在4 ℃條件下多次加水混合，每次加水量不超過20 mL，加水間隔為120 min，使水分均勻分布[12]。

式中W表示達目標含水率時的加水量，mL；M為樣品質(zhì)量，kg；P1為原始含水率，%；P2為目標含水率，%。

1.2 主要力學特性試驗設(shè)備

本試驗選擇的力學試驗設(shè)備為CMT2502微機控制電子萬能試驗機（寧波坤寧機電設(shè)備有限公司），最大試驗力為500 N，力分辨率為0.001 N，位移分辨率為0.001 mm。圓錐壓頭（長度70 mm、錐度22.6°）、游標卡尺、400目的砂紙等（市售）。

1.3 主要化學組分試驗儀器與藥品

化學組分測定中所用到的主要儀器有SZF-06G脂肪測定儀（上海嘉措儀器設(shè)備有限公司）；KDN-12C凱式定氮儀（鄭州志誠儀器設(shè)備有限公司）；HK-02A實驗室用粉碎機（廣州市旭朗機械設(shè)備有限公司）；20-T(AS)電熱恒溫干燥箱（南通聯(lián)豐計量技術(shù)有限公司）；JA2003分析天平（上海滬粵明科學儀器有限公司）。化學藥品主要有：無水乙醚、濃鹽酸、硫酸鋅、亞鐵氰化鉀、無水硫酸、氫氧化鈉、無水乙醇、H3BO3、CuSO4·5H2O等。

1.4 力學特性試驗方法

針尖壓入法是利用普通微機控制萬能材料試驗機，在針尖壓入谷物籽粒的過程中得到載荷-變形曲線，通過計算加載曲線的斜率衡量谷物籽粒的硬度[13]。壓頭選用直徑1.20 mm、長度70 mm、針尖錐度22.6°的大號鋼針，垂直夾持到試驗機活動橫梁端。為了測籽粒胚部硬度和防止壓入過程中籽粒產(chǎn)生橫向位移，需要用砂紙將籽粒打磨成相對平行的待測面和底座面。將制好的試樣穩(wěn)放在試驗機壓縮平臺上，針尖對準待測面，規(guī)定壓入深度為0.2 mm，加載速度為1 mm/min，試驗重復3次。其中接觸剛度根據(jù)公式（2）計算得到[14]。

式中S為接觸剛度，N/mm；Fmax為最大壓痕載荷，N；hr表示殘余壓痕深度，mm；hmax為最大壓痕深度，mm。

壓縮試驗壓頭采用平板壓頭，根據(jù)大豆籽粒外形結(jié)構(gòu)分別進行平放（壓縮方向垂直于大豆兩子葉結(jié)合面長軸）、側(cè)放（壓縮方向沿兩子葉結(jié)合面短軸）、立放（壓縮方向沿兩子葉結(jié)合面長軸）壓縮型式試驗，加載模型如圖1所示，下壓頭固定不動，上壓頭以1.5 mm/min的加載速度垂直下壓，根據(jù)計算機實時顯示的應(yīng)力和應(yīng)變值控制試驗結(jié)束點，當曲線達到靜壓破裂峰值時點擊停止試驗[15]，每組試驗重復3次。

圖1 大豆籽粒壓縮形式Fig.1 Compression types of soybean seed

剪切試驗中把大豆籽粒放在試驗機下壓板的中心位置，用夾具分別將橫軸（剪切方向沿兩子葉結(jié)合面長軸）和縱軸（剪切方向垂直于兩子葉結(jié)合面長軸）置于刀片剪切位置，剪切夾具和縱橫軸分別如圖2中的a、b所示，試驗時上剪具以1 mm/min加載速度進行豎向剪切，并根據(jù)試驗曲線控制其試驗結(jié)束點，當?shù)綐O限剪切載荷時點擊停止試驗，并直接讀取最大剪切力值。

圖2 大豆剪切試驗形式Fig.2 Shearing test types of soybean seed

1.5 化學組分含量試驗方法

由于大豆屬于谷物，因此根據(jù)谷物品質(zhì)測試方法和標準測取其化學成分質(zhì)量分數(shù)[16]，具體試驗方法如下。

大豆籽粒中粗脂肪質(zhì)量分數(shù)的測定根據(jù)殘余法，其計算方法為公式（3）。

式中a為稱量瓶與濾紙總質(zhì)量，g；b為稱量瓶、濾紙和烘干樣總質(zhì)量，g；c為稱量瓶、濾紙和殘余物總質(zhì)量，g。

大豆籽粒中粗淀粉質(zhì)量分數(shù)的測定采用1%鹽酸旋光法，其計算方法為公式（4）。

大豆籽粒中粗纖維質(zhì)量分數(shù)的測定采用3.14%酸堿劑洗滌法即快速法，其計算方法為公式（5）。

式中A1為沉淀物質(zhì)量，g；A2為沉淀物灰分質(zhì)量，g；B為含水率，%。

大豆籽粒中粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的測定采用凱氏定氮法，其計算方法為公式（6）。

式中V1為試驗消耗標準酸總體積，mL；V2為空白滴定所需標準酸體積，mL；N為標準酸濃度，mol/L；K為將氮換算成蛋白質(zhì)的換算系數(shù)。

1.6 大豆化學-力學關(guān)聯(lián)度分析法

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論需將力學指標與化學品質(zhì)視為一個整體，其中化學品質(zhì)設(shè)為參考序列，力學特性指標為比較序列，構(gòu)建一個灰色系統(tǒng)[17-18]。由于不同評價指標之間的量綱不同，首先需要通過公示（7）對所有序列進行無量綱化處理。

式中Xi(k)為第i評價指標中第k個元素的原始數(shù)據(jù)；Xi為同一評價指標的平均值，Si為同一評價指標的標準差，Xi′(k)為處理后的數(shù)據(jù)。

灰色系統(tǒng)中參考序列和比較序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)根據(jù)公式（8）計算得到，關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了各指標與理想值的吻合程度，關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，表明某指標越接近。

式中ξi(k)為Xi對X0在k點的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，Δi(k)為│X0′(k)-Xi′(k)│，ρ為灰色分辨系數(shù)，一般取值為0.5.

關(guān)聯(lián)度是反映該系統(tǒng)組成中比較序列和參考序列之間的密切程度，根據(jù)公式為（9）計算得到，關(guān)聯(lián)度越大說明相互關(guān)系越密切，并根據(jù)相關(guān)度值高低進行排序判斷其重要性[19]。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗結(jié)果采用SPSS19.0、DPS9.50和Excel軟件進行統(tǒng)計、關(guān)聯(lián)度分析和作圖。

2 大豆籽粒本構(gòu)模擬

2.1 大豆籽粒的本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是研究材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時采用有限元的方法所建立的模型，包括研究對象的結(jié)構(gòu)尺寸及屬性定義[20-21]。大豆籽粒由種臍、種皮、胚組成，而影響其壓縮力學性能的主要是種皮，因此將大豆籽粒整體簡化為具有固體性質(zhì)、均勻的線彈性材料[22-23]。大豆形狀可近似為橢球體，其結(jié)構(gòu)具有對稱性，因而在Abaqus中采用二維平面模型，上下壓頭用解析剛體代替，為避免壓縮時接觸點的應(yīng)力集中，在接觸位置外側(cè)向里切除0.2 mm。仿真模型選擇北豆5號籽粒，選取10顆長6.85～7.65 mm、寬5.60～6.35 mm、厚5.45～6.20 mm的飽滿籽粒，進行測量統(tǒng)計得到長、寬、厚的平均值分別為7.40、6.02、5.88 mm。由于寬和厚的尺寸較為接近，確定橢球體的長半軸為3.70 mm，短半軸為2.94 mm。

2.2 大豆籽粒材料屬性的定義和網(wǎng)格劃分

仿真所需彈性模量值由試驗測得，其中平放、側(cè)放、立放分別為36.8、29.5、23.9 MPa，泊松比取值為0.4[16]。網(wǎng)格劃分采用平面應(yīng)力四邊形單元（CPS4R），Abaqus利用自帶的Verify功能對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，結(jié)果Error單元0%，Warning單元0%，因此可以進行有效的仿真計算[25]。

2.3 約束及加載

相互作用類型選為表面與表面接觸，底邊采用固定約束，設(shè)定壓頭在Y方向的位移為0.001 mm，使接觸關(guān)系平穩(wěn)建立。模型網(wǎng)格劃分與加載方式如圖3所示，圖中箭頭所示即為載荷施加方向。

圖3 大豆籽粒模型網(wǎng)格劃分及加載方式Fig.3 Grid meshing and loading types of soybean seed model

3 結(jié)果與討論

3.1 大豆籽粒力學特性試驗

用試驗機提供的PowerTest軟件對試驗數(shù)據(jù)進行提取，針尖壓入試驗自動讀取加載曲線的斜率，即為大豆籽粒硬度，通過公式（2）計算其接觸剛度；根據(jù)壓縮試驗得到的加載曲線直接讀取破損強度指標；剪切試驗中當達到極限剪切強度時停止試驗并讀取其值。大豆籽粒力學特性試驗數(shù)據(jù)如表1所示，其值均為3次重復的平均值。

表1 大豆籽粒力學試驗結(jié)果Table1 Mechanical test results of soybean seed

由表1得到所測大豆籽粒硬度整體分布范圍是18.39～52.58 N/mm，其平均值為36.07 N/mm，籽粒的接觸剛度分布范圍在258.25～487.13 N/mm，其平均值為371.79 N/mm；籽粒在縱軸剪切方向極限剪切力的范圍是20.32～52.33 N，其平均值為37.14 N，橫軸剪切方向其值分布范圍是12.70～49.54 N之間，其平均值為30.81 N，縱軸的抗剪能力明顯高于橫軸，這是由于籽粒腹面種臍部位極易產(chǎn)生剪破碎裂紋所致；大豆籽粒的破損強度為3.65～15.32 MPa，在平放、側(cè)放、立放時均值分別是11.37、8.59、7.34 MPa，就單因素壓縮方向的不同可得到不同品種大豆籽粒平放時的破損強度均稍高于側(cè)放，而側(cè)放大于立放，這是由于接觸面積平放＞側(cè)放＞立放，立放時接觸面積最小，而發(fā)生應(yīng)力集中，所以很容易發(fā)生破裂[26]。

對大豆籽粒的力學特性指標做方差分析，結(jié)果如表2所示，品種因素對大豆籽粒的各力學指標均影響極顯著，說明不同品種大豆籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織的緊密度差異性較大。壓縮型式和剪切方向因素分別對破損強度和極限剪切力的影響極顯著，其說明大豆籽粒具有各向異性的材料特性。

表2 大豆籽粒力學參數(shù)方差分析Table2 Variance analysis of soybean seed mechanical parameters

3.2 大豆籽粒壓縮本構(gòu)模擬結(jié)果分析

大豆籽粒在擠壓過程中內(nèi)部應(yīng)力分布和最大變形量對其機械損傷和破碎機理的研究有著十分重要的意義。

采用Abaqus對北豆5號進行有限元模擬，其中平放、側(cè)放、立放壓縮時的載荷根據(jù)試驗測得破裂力值分別設(shè)為194.2、131.8、116.4 N。將試驗與有限元仿真得到的載荷-變形曲線進行比較，結(jié)果如圖4所示。平放、側(cè)放、立放壓縮時試驗值和仿真值的最大偏差分別為12.24%、6.96%、9.55%，大豆籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、材料性能較均勻[27]，仿真和試驗曲線整體偏差較小，表明運用Abaqus建立的大豆籽粒本構(gòu)模型研究其抗擠壓特性是可行的。而由于模型簡化的幾何形狀及實際材料屬性之間存在誤差，因此在仿真過程中出現(xiàn)一定的偏差是合理的。

為了進一步研究大豆籽粒內(nèi)部應(yīng)力及變形規(guī)律，在有限元分析中得到加載力為10 N時平放、側(cè)放、立放的內(nèi)部等效應(yīng)力和變形云圖，其結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示在平放壓縮時最大應(yīng)力為0.476 2 MPa，最小應(yīng)力為0.002 8 MPa，最大變形量為0.021 9 mm；側(cè)放壓縮時最大應(yīng)力為0.555 0 MPa，最小應(yīng)力為0.003 9 MPa，最大變形量為0.0318 mm；立放壓縮時最大應(yīng)力為0.6603 MPa，最小應(yīng)力為0.0096 MPa，最大變形量為0.0498 mm。由此可得最大應(yīng)力和變形量均平放＜側(cè)放＜立放，說明在受到同樣大小的載荷時大豆籽粒的抗擠壓能力平放＞側(cè)放＞立放，與試驗中得出的結(jié)論一致。由等效應(yīng)力云圖可知大豆壓縮時應(yīng)力按橢圓球規(guī)律分布的，而且在接觸部位的最外端應(yīng)力最大，符合赫茲文獻[19-30]理論[28]。而由等效變形圖可看出最大變形發(fā)生在與壓頭的接觸部位，而變形量大小則是由材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成決定。

圖4 北豆5號壓縮試驗和有限元計算得到的載荷-變形曲線對比Fig.4 Comparison between loading-deformation curves of finite model and compression tests of Beidou 5

3.3 不同品種大豆籽?；瘜W組分含量及差異性分析

根據(jù)化學品質(zhì)試驗方法與公式（3）～（6），計算得到各化學組分的質(zhì)量分數(shù)。結(jié)果如表3所示（其值均為3次重復的平均值）。由表3得到所測品種大豆籽粒粗淀粉質(zhì)量分數(shù)在3.76%～7.79%之間，平均值是5.48%；粗脂肪質(zhì)量分數(shù)在17.96%～23.79%之間，平均值是20.23%；粗纖維質(zhì)量分數(shù)在4.23%～5.68%之間，平均值是4.48%；粗蛋白質(zhì)是大豆籽粒的最主要特征，其質(zhì)量分數(shù)在35.78%～46.00%之間，平均值是40.84%；整體上粗蛋白質(zhì)和粗脂肪是大豆籽粒的主要化學成分。

對化學組分含量做方差分析，結(jié)果如表4所示，大豆籽粒品種因素對各化學組分含量的作用均極顯著，說明不同品種大豆籽粒之間的材料屬性差異性較大，進而影響其在破損和機械損傷中的力學性能。

3.4 大豆籽?；瘜W-力學關(guān)聯(lián)度分析

運用DPS軟件對大豆籽粒的力學特性指標與化學組分質(zhì)量分數(shù)進行關(guān)聯(lián)度分析。由于各指標量綱不一致，首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，結(jié)果如表5所示。其次將化學品質(zhì)設(shè)為參考序列，力學特性指標為比較序列，計算得到其關(guān)聯(lián)度并進行排序，結(jié)果如表6所示。

圖5 北豆5號籽粒受壓的等效應(yīng)力及變形云圖Fig.5 Distribution diagram of equivalent stress and deformation of Beidou 5 seed

表3 大豆籽?；瘜W組分質(zhì)量分數(shù)Table3 Chemical composition mass fraction of soybean seed

表4 大豆籽?；瘜W組分方差分析Table4 Variance analysis of chemical composition of soybean seed

表5 大豆籽?；瘜W品質(zhì)及力學特性無量綱化處理結(jié)果Table5 Nondimensionalized chemical quality and mechanical properties of soybean seed

由表6得到大豆籽粒的粗蛋白質(zhì)含量與力學特性的關(guān)聯(lián)度由大到小依次為硬度、接觸剛度、縱軸極限剪切力、平放破損強度、立放破損強度、側(cè)放破損強度、橫軸極限剪切力，其值范圍為0.309 4～0.136 6；與粗脂肪含量關(guān)聯(lián)度大小依次為硬度、接觸剛度、縱軸極限剪切力、平放破損強度、橫軸極限剪切力、側(cè)放破損強度、立放破損強度，其值范圍為0.327 8～0.071 7；與粗淀粉含量關(guān)聯(lián)度大小依次為接觸剛度、硬度、橫軸極限剪切力、立放破損強度、縱軸極限剪切力、平放破損強度、側(cè)放破損強度，其值范圍為0.186 9～0.069 5；與粗纖維素含量關(guān)聯(lián)度大小依次為硬度、接觸剛度、縱軸極限剪切力、側(cè)放破損強度、立放破損強度、平放破損強度、橫軸極限剪切力，其值范圍為0.191 8～0.037 7；根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析原則，關(guān)聯(lián)度越大，說明比較數(shù)列和參考數(shù)列間的密切程度越大，變化勢態(tài)越接近，反之則相互之間的關(guān)系疏遠[29]。由本研究選取的7個主要力學特性指標與化學組分關(guān)聯(lián)度排序中可以看出，硬度與接觸剛度均在前兩位，與所有化學組分關(guān)系最密切。其中與硬度關(guān)聯(lián)度較大是粗脂肪和粗蛋白質(zhì)含量，分別為0.327 8和0.309 4，其次是粗纖維素和粗淀粉含量，分別為0.191 8、0.171 9；與接觸剛度關(guān)聯(lián)度較大的是粗脂肪和粗蛋白質(zhì)含量，其值分別為0.283 7和0.220 6，其次是粗淀粉和粗纖維素含量，其值分別為0.186 9和0.133 4。研究結(jié)果表明大豆籽粒的粗蛋白質(zhì)含量和粗脂肪含量對硬度與接觸剛度的影響最大，其次是粗纖維素，粗淀粉含量。因此硬度和接觸剛度不僅是表明大豆籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布狀況的指標，同時也可間接反映化學組分含量的高低，在品質(zhì)預測和品種鑒別中可進一步進行研究與應(yīng)用[30]。

表6 不同品種大豆力學特性指標對各化學組分質(zhì)量分數(shù)關(guān)聯(lián)度及排序Table6 Grey relational grade and relation order of mechanical properties of different varieties for chemical mass fraction

4 結(jié) 論

1）力學特性試驗中壓縮型式和剪切方向分別對大豆籽粒破損強度和極限剪切力影響極顯著，其中破損強度平放＞側(cè)放＞立放，縱軸的抗剪能力高于橫軸，大豆籽粒具有各向異性的材料特性；品種因素對大豆的力學性能具有重要意義。

2）利用Abaqus對大豆籽粒平放、側(cè)放、立放壓縮試驗進行本構(gòu)模擬，比較仿真曲線和試驗曲線，偏差較小，表明所建立的本構(gòu)模型進一步研究大豆籽粒的破碎機理和機械性能是可行的。

3）從大豆籽粒化學品質(zhì)試驗中得到化學組分含量受品種影響差異較大，粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白質(zhì)、粗纖維的質(zhì)量分數(shù)范圍分別為17.96%～23.79%、3.76%～7.79%、35.78%～46.00%、4.23%～5.68%，整體上粗脂肪和粗蛋白質(zhì)是其主要的化學成分。

4）關(guān)聯(lián)度分析中得到7種主要力學特性指標對粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗淀粉、粗纖維素含量的關(guān)聯(lián)度大小范圍分別是0.309 4～0.136 6、0.327 8～0.071 7、0.186 9～0.069 5、0.191 8～0.037 7，其中硬度和接觸剛度與粗蛋白質(zhì)和粗脂肪含量關(guān)系最密切。

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Gray relation degree and constitutive modeling of chemo-mechanical properties for soybean seed

Zhang Tao1, Zhang Fengwei2, Sun Wei2, Sun Bugong2, Wang Ting3, Wu Jianmin2※
(1.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Institute of Soil, Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Science, Lanzhou 730070, China)

The chemical composition of soybean seeds has an important effect on the mechanical properties, and there is an inevitable connection between them. In order to study the mechanical properties of soybean seed under different loading types, and to explore the relationship between chemical composition and mechanical properties of soybean seed, 11 kinds of soybeans were selected as research material with the moisture content of 8.65%, and the chemical components test, the needle inserting test, the shear test and the compression test were carried out. Depending on the outline structure of soybean seed, compression types included flat placing, side placing, stand placing, and shear types included horizontal and vertical. The experiment was carried out in Gansu Agricultural University from March to July in 2016. Gray relation degree method was used to study the relationship of the 2 types of indices, chemical indices were set as the reference sequence, mechanical parameters were set as the comparison sequence, and the correlation degree and correlation order were analyzed with DPS software. With the support of Abaqus software, soybean seed constitutive modeling was set up, which defined the structure and properties by using the finite element software, and 3 types of compression test processes were simulated. The validity of the constitutive model was verified by comparing the simulation curve and the testing curve. Through mechanical test and compression simulation of soybean seed, the results indicated that the hardness of soybean seed was between 18.39 and 52.58 N/mm, the crippling strength of soybean seed was between 3.65 and 15.32 MPa, the ultimate shear force of soybean seed was between 12.70 and 52.33 N, and the variety had a highly significant effect on its mechanical properties (P＜0.01). The resistance shear capacity of the virtical axis was significantly higher than the horizontal axis, and the ability of resisting damage from higher to lower was flat placing, side placing, and stand placing. Different compression types and shear directions had highly significant influence on the crippling strength and ultimate shear force (P＜0.01). Force-deformation curves from the test fitted the simulation quite well, and the maximum deviation of flat placing, side placing and stand placing were 12.24%, 6.96%, and 9.55% respectively, which meant that the soybean seed constitutive modeling could reflect the crushing features. Through the chemical composition determination test, the results showed that crude protein and crude fat were the main chemical composition of soybean seed, and the average values of their mass fractions were 40.84% and 20.23% respectively. The contents of chemical components in different varieties were significantly different (P＜0.01). The gray relation analysis indicated that in mechanical indices, hardness and contact stiffness were most closely related to the chemical content, the related degree of hardness with crude protein content, crude fat content, crude starch content and crude cellulose content was 0.309 4, 0.327 8, 0.171 9 and 0.191 8 respectively, and the related degree of contact stiffness with crude protein content, crude fat content, crude starch content and crude fiber content was 0.220 6, 0.283 7, 0.186 9 and 0.133 4 respectively. The crude protein content and crude fat content of soybean seed had a significant influence on hardness and contact stiffness, and the influence of crude starch content and crude cellulose content was lighter. Therefore the result has a great application potential in soybean seed storage and processing industry, and especially can offer a new method and basic for quality prediction and variety identification.

mechanical property; crops; models; soybean seed; chemical property; gray relation degree; constitutive modeling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.038

S12; S565.2

A

1002-6819(2017)-05-0264-08

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.038 http://www.tcsae.org

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2016-07-14

2016-12-23

國家公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201503124）；高寒草地牧草種子機械破眠損傷機理及低損破眠技術(shù)研究（51665001）

張 濤，男，博士生，主要從事植物力學與作物模型研究。蘭州甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，730070。Email：zt861205zt@163.com

※通信作者：吳建民，男，教授，博士生導師，主要從事植物力學與農(nóng)業(yè)機械化裝備研究。蘭州 甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，730070。

Email：wujm@gsau.edu.cn