品种及含水率对谷子籽粒力学性质的影响

谷子籽粒群是具有黏弹性性质的生物材料,谷子加工储藏和机械收获等作业环节需考虑其黏弹性,该文研究了不同品种、不同含水率对谷子籽粒群黏弹性力学指标的影响。该试验以不同品种、不同含水率为试验因素,以谷子籽粒群的瞬时弹性模量、迟滞弹性模量、松弛时间和黏度系数为试验指标进行蠕变试验,并对试验结果进行方差分析。结果表明:谷子籽粒群的蠕变特性可由四元件Burgers模型描述,不同含水率、不同品种谷子籽粒群的蠕变参数各异。品种对谷子籽粒群的迟滞弹性模量影响显著,晋谷21号谷子籽粒群的迟滞弹性模量均值为0.609 3 MPa,显著高于张杂10号的0.522 2 MPa。含水率对谷子籽粒群的瞬时弹性模量、迟滞弹性模量和黏度系数影响均显著,均呈随含水率升高而降低的趋势,含水率为12.10%的谷子籽粒群的瞬时弹性模量0.752 6 MPa显著高于含水率为16.05%的0.613 6 MPa和20.00%的0.569 7 MPa,含水率为12.10%、16.05%、20.00%的谷子籽粒群的迟滞弹性模量分别为0.706 4、0.583 5、0.407 5 MPa,含水率为12.10%的谷子籽粒群的黏度系数1 234.7 MPa·s显著高于20.00%的796.8 MPa·s,含水率对谷子籽粒群的松弛时间影响不显著。该文通过试验研究了不同品种和不同含水率的谷子籽粒群的蠕变特性,为谷子低损收获、加工储藏及参数优化提供了理论支持。     

莲仁力学特性参数测定及挤压破碎特性试验

为探讨莲仁在挤压载荷作用下的破碎机理,该文用压缩试验方法对莲仁相关力学参数进行了试验研究。首先,用万能试验机对莲仁试样进行了弹性模量和抗压强度测试,测得5种不同含水率莲仁在纵向、横向2个方向上的弹性模量、抗压强度及应力-应变曲线;测试结果表明,莲仁弹性模量、抗压强度的纵向值均大于横向值,且弹性模量、抗压强度均随莲仁含水率增大而显著减小;用回归分析方法建立了莲仁弹性模量、抗压强度与含水率关系的回归方程,得到了合格莲仁(含水率小于11%)的最小弹性模量为37.12 MPa,最低抗压强度为5.12 MPa。其次,研究了莲仁整体挤压时裂纹的产生规律,测得了5种不同含水率莲仁在平压与侧压2种受载方式下的挤压极限载荷;测试结果表明,莲仁的挤压极限载荷随含水率的增大而减小,对于相同含水率莲仁,侧压比平压更容易引起莲仁破碎;用回归分析方法建立了挤压极限载荷与含水率的回归方程,得到了合格莲仁(含水率小于11%)的最大挤压载荷应小于53.6 N。最后,用有限元法建立了莲仁的压缩力学模型,分析了莲仁整体受压时的应力分布,仿真结果与莲仁压缩试验结果基本吻合,验证了所测莲仁力学参数的正确性。研究结果可为莲仁加工和输送设备的设计提供参考。     

玉米种子的跌落式冲击试验

为降低玉米种子脱粒过程中的机械损伤,掌握玉米籽粒冲击破碎机理,在跌落式冲击试验台上,对不同品种的玉米籽粒进行了冲击破碎试验,分析了在不同籽粒含水率、不同冲击位置下玉米种子籽粒的力学性质。试验结果表明：籽粒破碎的最大冲击力随籽粒含水率的增加而降低;玉米籽粒在不同冲击面下所能承受的最大冲击力有显著差异,在同一籽粒含水率下,腹面承受的最大冲击力最大,侧面次之,顶面最小;在同一冲击面下,不同品种玉米籽粒抵抗冲击破裂的能力不同,其原因与籽粒的内部结构、形状等因素有关。研究成果对进一步研究玉米种子的力学性质、损伤机理、开发有序脱粒工艺具有重要的意义。     

谷子籽粒压缩力学性质及损伤裂纹形成机理

在谷子联合收获机及谷子加工机械装备设计研制中需要掌握谷子籽粒的基本物性参数和力学性质,以及受压致谷子谷壳与米粒损伤及裂纹形成过程,从而确定和优化工作参数.为此该文测定了不同含水率下(25.1％,20.9％,17.5％,15.2％)4种优质谷子品种(晋谷21,张杂10号,吨谷,长谷)籽粒的基本物性参数,包括千粒质量、三轴尺寸等,并研究了不同含水率、品种和压缩方位(长度、宽度和高度方向的压缩方位)对谷子籽粒的压缩力学性质的影响,对试验数据进行了多响应完全随机区组分析.结果表明:同一品种谷子籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径、几何平均径均随含水率的降低而减小,不同品种间的物性参数差异显著(P＜0.001);影响屈服载荷、变形量、破坏能以及表观弹性模量的主要因子依次是压缩方位、含水率、品种.对于同一种谷子,籽粒的长度、宽度和高度方位压缩时的屈服载荷和表观弹性模量都随着含水率的升高而减小,压缩变形量和破坏能随着含水率的降低呈先减小后增大的趋势.长度、宽度和高度方位压缩时,损伤裂纹的形成过程及发生机理、扩展形态和部位均不同,分别是:从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展,形成几乎贯穿籽粒长度方向的裂纹:从上下两接触点处由应力集中形成的贯穿籽粒宽度方向的裂纹;从腹面的种脐处沿胚乳抗压性最弱的部位延伸且贯穿籽粒一半的裂纹.研究结果为谷子播种,联合收获机及相关加工机械的设计、参数优化提供依据.     

不同含水率对谷子籽粒压缩力学性质与摩擦特性的影响

为了探明不同含水率谷子籽粒的物理机械性质,减少谷子籽粒在播种、碾米加工及储运等过程中受到压缩载荷及摩擦而产生的机械损伤,该文针对不同含水率的谷子籽粒进行压缩力学性质与摩擦特性试验。研究了谷子籽粒的挤压破碎过程,获得不同含水率谷子籽粒的力-位移（变形）曲线,破坏力、变形量及破坏能。随着含水率升高,破坏力减小,变形量和破坏能呈现先降低后升高的变化规律。同时采用赫兹接触理论,得到谷子籽粒单向表观弹性模量和许用挤压应力,结果表明二者都随含水率升高线性降低。分别测定了谷子籽粒与钢板和铝板间的滑动摩擦系数,随含水率升高,谷子与该2种材料的摩擦系数均增大,且与铝板的摩擦系数要高于钢板。根据试验结果,分别拟合得到了压缩和摩擦力学性能指标与谷子含水率的关系方程,为谷子播种、仓储、加工等装备设计及参数优化提供了基础依据。     

收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究

试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性，以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数，并分析芦竹切割过程中应力、应变分布状态，能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数，对低能耗、高效率的芦竹切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、压缩、弯曲试验，获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力－应变曲线，并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa，弹性模量值为1260 MPa；顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa，弹性模量值为595 MPa；顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa，弹性模量值为1715 MPa。结果表明，芦竹破坏应力参数接近毛竹，远大于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数，芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。     

不同温度及含水率稻米籽粒加工过程破裂载荷分析

稻米籽粒在收获后干燥、仓储和碾米加工过程中受到不同程度压缩载荷,过大压缩载荷将造成籽粒发生破裂(爆腰),从而降低稻米整米率和经济价值。籽粒压缩破裂载荷是稻谷加工1个重要物性参数,该文从统计学角度对稻米籽粒压缩破裂载荷进行试验研究。通过机械压缩测量试验及大样本分析,得到稻米籽粒在同一温度、含水率下,其压缩破裂载荷存在统计分布特性。定义并采用稻米籽粒中值F50和大端破裂载荷F90表征稻米压缩破裂载荷;在低温低含水率(16℃,14%)时,稻米籽粒的中值F50为63 N,F90为80 N。研究了稻米加工过程两大重要工艺参数-温度和含水率对籽粒破裂载荷的影响,发现破裂载荷随温度升高而下降,随含水率下降而增大;相比温度,含水率对破裂载荷影响更大。当稻米从高温高含水率(60℃,21%)到低温低含水率(16℃,14%)时,其由橡胶态转变为玻璃态,相应地破裂载荷从35增加到80 N。统计学意义下稻米压缩破裂载荷数值接近生产实际,更能精确指导稻米加工过程优化和产品品质提高。     

含水率和压缩频率对秸秆开式压缩能耗的影响

为了减少生物质秸秆压缩能耗,优化压缩工艺,以小麦秸秆（品种：农大211）,玉米秸秆（品种：农大108）为研究对象,模拟生物质秸秆压缩成型实际工况,利用INSTRON 3367材料试验机和自制压缩筒组件进行了“开式”压缩试验,研究了含水率分别为15%、35%和55%的小麦秸秆以及25%、45%和65%的玉米秸秆在3个不同压缩频率0.5、0.75和1次/min下的成型压缩比能耗。结果表明：小麦秸秆在含水率55%和压缩频率0.5次/min时压缩比能耗最小;玉米秸秆在含水率65%和压缩频率为0.5次/min时压缩比能耗最小。统计结果表明,秸秆压缩比能耗随着含水率的增高和压缩频率的降低而减少;含水率和压缩频率对压缩比能耗影响均显著。     

含水率对大豆静压机械特性的影响

为探明不同含水率的大豆物理机械性质、揭示脱粒与输送过程中大豆机械损伤机理,以沈农12大豆为试验对象,应用万能生物材料试验机进行了5种含水率下的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功等准静压力学特性试验,获得了6.84%～21.37%含水率范围内、3个方向的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功及其变化规律,研究结果可为改进大豆脱粒和输送装置、确定工艺参数提供参考。     

建筑垃圾再生骨料在海绵城市储水结构体中的应用

[目的]研究建筑垃圾骨料对环境的影响,为建筑垃圾再生骨料用于“海绵城市”储水结构体等提供依据。[方法]通过室内大型压缩固结试验,对建筑垃圾再生骨料在不同配比、不同含水率的颗粒破碎、压缩变形及储水率变化进行了研究,并通过浸出毒性试验对建筑垃圾骨料对环境的影响进行了研究。[结果]再生骨料在压缩过程中具有破碎趋势,且废砖骨料破碎程度大于废混凝土骨料;随着废砖骨料比例的增加,颗粒破碎程度越大,压缩变形也愈大;骨料含水率对颗粒破碎影响机制不尽相同,当含水率从3%增加到12%时,颗粒破碎率从121.73%上升至132.64%,而含水率从12%上升至15%时,颗粒破碎率从132.64%下降至127.6%,在“最优含水率”(11.56%)附近取得极大值,且含水率通过影响颗粒破碎来影响再生骨料的压缩变形,颗粒破碎变化趋势与重型击实试验曲线具有一致性。可通过“最优含水率”指导储水结构体含水率的控制,减少颗粒破碎,提高结构体储水能力和承载能力。不同地区的建筑垃圾骨料对环境的影响不同,在应用中应避免已污染建筑垃圾的再利用。[结论]建筑垃圾再生骨料可用于海绵城市储水结构体的建设,但需对建筑垃圾的来源进行区分,确保材料对环境无污染。     

Study of Viscoelastic Properties of Wheat Kernels Using Compression Load Method

The method to measure hardness and other viscoelastic properties of intact wheat kernels is presented. Wheat with 9.3% moisture showed high elastic behavior compared with wheat tempered at 22.5% moisture that showed a plastic behavior. Load‐deformation curves showed that bread wheat behaves as a more plastic material than durum wheat, which is a more elastic material. Yield point of all the wheat samples was ≈18.5 N, independent of wheat type and moisture content. The height of the wheat kernel increased linearly, and the compression area increased exponentially, with increasing moisture content. The modulus of elasticity of wheat ranged from 99.2 MPa for 22.5% moisture content to 394.8 MPa for 9.3% moisture content. Young's modulus range for soft wheat such as Salamanca, Saturno, and Cortazar cultivars was 232.2–308.5 MPa, as compared with Rayón bread wheat at 321.5 MPa and the Altar, Sofía, and Rafi cultivars of durum wheat that had elastic moduli of 438.7–485.8 MPa. The compression force and final stress decreased from 69.9 N and 40.1 MPa in soft wheat to 90 N and 78.9 MPa in durum, respectively. Total work range was 14.7 MPa/sec in soft wheat to 19.7 MPa/sec for durum wheat and, as expected, was higher in the durum and bread wheat than in soft wheat. The plastic part ranged from 2.4 MPa/sec in soft wheat to 0.6 MPa/sec in durum wheat.     

Evaluation of Degree of Elasticity and Other Mechanical Properties of Wheat Kernels

Three samples were selected representing bread, soft, and durum wheat. Uniaxial compression and stress relaxation tests were performed on wheat kernels. Force‐deformation curves from intact wheat grain typically exhibited at least two points of inflection (PI) at ≈0.1 and 0.2 mm displacement. The first PI is related to the mechanical properties of all the bran layers. The second PI (0.2 mm) seems to be the endosperm boundary near the aleurone layer. These structures had higher degree of elasticity (DE) compared to the inner endosperm (0.5–0.6 mm). Besides wheat class and specific structures of the caryopsis, moisture content is a prominent factor affecting the mechanical strength of kernels. Stress relaxation tests show that bread wheat kernels with 69.2% DE at 13% moisture decreased to 31.6% DE with additional 6% moisture content. Soft wheat kernels DE of 61.0% at 13% moisture decreased to 22.7% at 19.7% moisture. Stress relaxation revealed pronounced time‐dependence. However, the differences of stress values at 120–180 sec were not significant in all wheat classes and moisture contents evaluated. The stress values after 120 sec might be attributed to the elastic deformation of the kernels.     

荔枝树枝力学特性的试验研究

为获取荔枝树枝的力学特性参数,以糯米糍品种荔枝树枝为试验材料,在精密型微控电子式万能试验机上进行了压缩特性和剪切特性试验。测得荔枝树枝顺纹抗压强度平均值为32.77MPa,顺纹抗压弹性模量平均值为1068.02MPa,顺纹压缩能平均值为56.57N.m;树枝横纹抗压比例极限应力平均值为8.02MPa,横纹抗压弹性模量平均值为422.84MPa,横纹压缩能平均值为1.25N.m;树枝剪切强度平均值为9.52MPa,剪切功平均值为17.59N.m。采用统计软件对树枝力学特性参数进行相关性分析,结果表明:顺纹抗压强度和顺纹压缩能之间呈指数函数正相关关系;横纹抗压比例极限应力和横纹压缩能之间呈弱对数函数正相关关系;峰值剪切力、剪切功都与树枝横截面面积呈强线性正相关。试验结果为研制果树修剪机具提供了依据。     

基于应力路径试验的小麦粮堆力学特性和应力应变关系模型

粮仓中粮堆在装卸时存在着复杂的应力路径,为了得出复杂应力路径对粮堆模量和临界状态特性的影响规律,以及粮堆应力应变关系模型,该文在侧向应力50~300 k Pa下,进行了常规三轴压缩(conventional triaxial compression,CTC)、等p压缩(constant mean normal stress compression,CMS)、三轴主动压缩(reduced triaxial compression,RTC)三轴应力路径试验,分析了应力路径和侧向压力对模量的影响和粮堆临界状态特性;修正岩土体三次曲线模型,建立了适于描述仓内小麦粮堆应力应变的模型,并通过应力路径试验结果和文献试验结果对模型的适用性进行验证。研究结果表明:各应力路径下初始模量、割线模量E50均随着侧向应力呈幂函数增长;CTC、CMS试验的割线模量E50比初始模量发生较大的降低,而RTC试验没有明显降低。在参考压力(大气压力)下,对于初始模量,CTC试验的结果最大,RTC试验的结果最小;对于割线模量E50,CTC试验的结果最小,RTC试验的结果最大。CTC试验的初始模量、割线模量均随着侧向应力增长最慢,而RTC试验的结果均随着侧向应力增长最快。不同应力路径和侧向应力下,试验的破坏点均落于同一临界状态线上,小麦粮堆临界状态应力比为0.976。修正三次曲线模型反映了粮堆强度、峰度系数和峰值应变等特性,并通过8个参数进行计算;通过应力路径试验结果和文献试验结果对该模型进行了验证。研究结果可为粮仓装卸料压力、变形的计算提供更符合实际应力路径条件的参量,建立的修正三次曲线模型可用于粮堆应力和变形的数值模拟,为粮仓的设计提供参考。     

土石山区护坡草本植物根系抗拉力学特性

为了解山西省土石山区护坡植物的根系抗拉力学特性,对比选择最适宜的水土保持物种.对其边坡上黑麦草(Lolium perenne L.)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)3种护坡植物的根系开展抗拉力学试验,研究3种植物根系最大抗拉力、极限抗拉强度以及弹性模量随直径及根长大小变化的规律.研究结果显示:根长一定时,3种植物的最大抗拉力随直径的增加而增加,单根极限抗拉强度随根系直径的增大而减小;而直径一定时,根系最大抗拉力和极限抗拉强度随根系长度的增大而减小;弹性模量值随着根径和根长增大呈下降的趋势.3种植物根系平均最大抗拉力关系为:香根草(16.258 N)＞黑麦草(11.734N)＞百喜草(4.891 N);平均极限抗拉强度关系为:百喜草(116.226 MPa)＞黑麦草(50.839 MPa)＞香根草(49.650MPa);平均弹性模量分别为:百喜草(20.392 MPa/mm)＞香根草(3.257 MPa/mm)＞黑麦草(3.245 MPa/mm).结果表明这3种植物中百喜草根系的固土能力最好,在选择最为适宜的水土保持物种时可优先考虑.研究结果可为土石山区水土保持研究提供一定的科学依据.     

深水网箱浮架结构的失效及疲劳性能分析

为了分析台风海况环境与系泊载荷导致深水网箱局部崩塌的现象,分析网箱部件长期承受波浪交变载荷作用而导致的疲劳破坏问题,该文自主开发网箱浮架试样的加工方法,并进行浮架管材的性能参数测定,进一步采用等效载荷有限元模拟、全场景有限元模拟与力学试验对比验证,结合有限元结构仿真分析网箱浮架的失效及疲劳情况。结果表明,网箱浮架承受拉伸及弯曲载荷时弹性变形至塑性变形的临界屈服强度为22.12和30.58 MPa;浮架应力集中及疲劳关键节点主要为焊接点、系泊点、管材联接及工字架装配边缘区域,塑性区扩展至表面且断裂伸长率大于340.18%时发生结构断裂;浮架单点系泊及均布载荷40 kN时的低周疲劳寿命为734次应力循环,主要是由于此时的结构应力大于疲劳极限3.38 MPa导致疲劳寿命减小。增大系泊面积和工字架数量、减少焊接接头、降低联接管材的SDR系数可有效提高网箱浮架的可靠性能。研究结果可为长期和极限作业环境下网箱结构的优化设计提供参考。