苎麻茎秆界面力学性能试验

苎麻茎秆韧皮纤维与木质部界面相的力学行为是研制苎麻茎秆机械分离设备的核心技术参数,为揭示苎麻茎秆纤维层与木质层界面相的径向和轴向黏结力及轴向冲击分离能的变化规律,以收获期头麻为试验对象,采用HD-B604-S电脑伺服式拉力试验机与TF-2056B悬臂梁冲击试验机,对不同含水率下不同部位的苎麻茎秆进行静态拉伸剥离试验和动态冲击剥离试验。试验数据表明,苎麻茎秆下部的径向拉伸剥离力最大,最大径向剥离力平均值为1.997 7 N,随着含水率的降低径向剥离力变大;而茎秆上部的轴向拉伸剥离力最大,最大轴向剥离力平均值为163.957 0 N,随着含水率的降低轴向剥离力变小;茎秆上部的冲击剥离能最大,最大冲击剥离能平均值为0.384 0 J,随着含水率降低冲击剥离能也变小。该研究为苎麻茎秆界面力学模型的建立提供了理论支撑,也能为茎秆分离机构参数设计提供技术指导意义。     

苎麻茎秆的力学性能研究

对成熟苎麻茎秆进行横观各向同性假设,参照塑料拉伸、压缩和金属扭转试验以及夹层结构弯曲性能试验的要求和标准,分别对苎麻茎秆、木质部进行拉伸、压缩、弯曲和扭转试验,对韧皮层进行拉伸、压缩试验,测定苎麻茎秆的基本力学参数。结果表明:苎麻茎秆拉伸弹性模量为1 013.19 MPa,压缩弹性模量为14.63 MPa,剪切模量为87.15 MPa,同性面泊松比为0.38,异性面泊松比小于0.016 6;木质部拉伸弹性模量为1 021.85 MPa,压缩弹性模量为16.99 MPa,剪切模量为99.05 MPa,同性面泊松比为0.33,异性面泊松比小于0.020 5;韧皮纤维层拉伸弹性模量为2 004.18 MPa,压缩弹性模量为4.01 MPa,剪切模量为38.76 MPa,同性面泊松比为0.58,异性面泊松比小于0.001 9。     

巨菌草茎秆的压缩力学特性

采用复合材料弹性力学参数试验方法,对巨菌草茎秆和木质部的轴向压缩和径向压缩的力学特性进行了研究.通过数据分析得到巨菌草茎秆力学模型的全部弹性参数,并利用ANSYS进行静力学仿真分析.结果表明:巨菌草茎秆压缩试验得到的力学弹性参数与木质部压缩试验得到的力学弹性参数没有显著性差异,即茎秆的承载作用与木质部相近;茎秆的径向压缩弹性模量和最大抗压强度均比轴向压缩弹性模量和最大抗压强度小得多.     

收割期苎麻底部茎秆剪切的机械物理特性与参数

以华苎4号苎麻为试验材料,测定了收获期其茎秆底部切割区的剪切机械物理特性与参数.结果表明:苎麻底部茎秆最大抗剪强度平均值为64.1MPa,最大剪切破坏力平均值为6435N;剪切破坏力随茎秆直径增大而增加,但直径相近时,其剪切特性主要受苎麻成熟度、含水率等因素的影响;苎麻茎秆的剪切机械物理特性和参数与其木质部力学特性和参数有差异.     

苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析

采用复合材料力学弹性参数测试的试验方法,利用WDW 10微机控制电子万能试验机对苎麻木质部和茎秆整体的整秆进行了轴向压缩力学特性的研究。试验结果表明：中苎一号品种苎麻木质部整秆的轴向压缩弹性模量平均值为241.93 MPa,最大抗压强度平均值为12.61 MPa,茎秆整秆的轴向压缩弹性模量平均值为304.85 MPa,最大抗压强度平均值为12.58 MPa;木质部和茎秆整体的弹性模量和抗压强度没有显著差异,茎秆复合中木质部和韧皮部靠自身粘附力在表层粘结,其粘附力不能阻止韧皮部沿木质部表层滑移,在压缩试验中,表现更多为木质部的承载作用。     

苎麻成熟期底部茎秆的机械物理特性参数研究

为了给苎麻切割器的设计及切割动力学分析提供茎秆的力学性能参数,以苎麻成熟期底部茎秆为材料,对茎秆及其木质部进行了弯曲和扭转试验,得到其弯剪模量分别为155.7、252.9 MPa,剪切模量分别为42.1、44.8MPa;对木质部和韧皮部进行了拉伸和压缩试验,得到其拉伸弹性模量分别为1 876、481 MPa,压缩弹性模...     

苎麻韧皮纤维撕裂力的试验研究

为了给整骨式苎麻剥制机设计提供力学参数,利用自制夹具,在SANS-CMT6104型微机控制电子万能试验机上进行了苎麻韧皮纤维撕裂试验,探究撕裂角度、撕裂部位、撕裂方式(单侧与双侧撕裂)对苎麻韧皮纤维与麻骨间撕裂力的影响。结果表明:撕裂角度为135°~180°时,苎麻韧皮纤维与麻骨间撕裂力随撕裂角度的增大而变小,撕裂角越接近于180°,撕裂力越小;同一试样双侧反向撕裂的撕裂力约为单侧反向撕裂的2倍;同一苎麻植株不同部位的韧皮纤维撕裂力变化幅度约17%,但节点处撕裂力会急剧增大。     

基于有限单元法的芦蒿茎秆力学特性分析

【目的】建立芦蒿Artemisia selengensis茎秆柔性体模型。【方法】根据芦蒿茎秆的物性参数,通过ANSYS有限元分析软件建立茎秆力学模型,对芦蒿茎秆在不同生长部位的轴向、径向压缩力学特性进行研究,分析比较模型计算值和试验测试值。【结果】模型计算值和试验测试值最大偏差为14.46%。芦蒿茎秆具有各向异性特征,其轴向压缩力学特性远大于径向;在3种不同位置段,径向压缩时,茎秆破碎出现在加载面的两端边缘位置,轴向压缩时,茎秆破碎出现在加载面,且应力由接近加载区域向周围逐渐减弱。【结论】可以运用模型仿真分析芦蒿茎秆力学特性,结果可为减少芦蒿在收获、运输、加工、储藏过程中的机械损伤和芦蒿收获机具的研制提供理论依据和参考。     

苎麻茎秆机械分离过程力学建模与试验分析

现有苎麻茎秆机械分离技术主要核心工作部件是剥麻辊结构,试验以该核心工作部件为基础,构建了新型茎秆分离台架。苎麻茎秆分离过程是由折断和麻皮麻骨分离瞬时完成的,以此推导了辊齿对麻秆作用的折断能和分离能的关系表达式,分析了结构参数对茎秆分离的影响;在此基础上,对主要部件剥麻辊以辊转速、辊半径、辊齿数、啮合深度为试验因素,设置了L9(34)正交试验。结果表明,各因素对剥净率影响的高低排序为剥麻辊转速、啮合深度、剥麻辊齿数、剥麻辊半径,较优组合为剥麻辊转速900 r/min、啮合深度5 mm、剥麻辊齿数20个、剥麻辊半径120 mm,此时剥净率为98.42%。试验揭示了苎麻茎秆机械分离的机理,优化了剥麻技术的工艺参数,为剥麻技术的开发提供了技术支撑。     

成熟期巨菌草底部茎秆力学特性试验

研究巨菌草(Pennisetum sinese Roxb)茎秆力学特性及其变化规律是建立巨菌草茎秆材料力学模型与本构关系的重要基础。利用SNAS微机控制电子万能材料试验仪对成熟期巨菌草底部茎秆进行顺纹拉伸、压缩、弯曲试验,获得其在试验条件下的应力-应变曲线,并进行分析。试验选取的巨菌草底部茎秆平均含水率为75%,测得的巨菌草底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度的平均值为93.2 MPa,弹性模量平均值为593.8 MPa;顺纹压缩最大抗压强度平均值为10.1 MPa,弹性模量平均值为126.4 MPa;顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为11.3 MPa,弹性模量平均值为610.5 MPa。表明巨菌草茎秆的拉伸破坏应力参数与苜蓿(Medicago L.)、毛竹[Phyllostachys heterocycla(Carr.)Mitford cv.Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近,而压缩与弯曲破坏应力参数却远小于芦竹(Arundo donax L.)。因此,所获成熟期巨菌草底部茎秆力学特性参数,可为巨菌草机械切割设备的设计提供理论指导和基础技术参数。     

刺梨果柄分离特性研究及有限元分析

刺梨果柄的分离特性对设计采摘设备具有较大意义,本文利用果柄分离试验和有限元仿真法对刺梨的果柄分离力学特性进行了研究。通过对刺梨进行果柄分离试验,获得分离力与变形之间的关系曲线;根据刺梨的几何尺寸和物理参数,建立了刺梨的几何力学模型,比较刺梨果柄分离的试验值和仿真值,其相关系数为0.9959,验证了有限元仿真方法的可行性。通过对拉伸载荷作用于刺梨果柄的有限元分析,得出拉伸载荷作用下刺梨内部的应力和应变分布规律,果实与果柄结合处的应力和应变较大。     

玉米秸秆散粒体颗粒Burgers接触模型参数的确定方法

为建立玉米秸秆散粒体成型离散元模型,以不同压缩参数进行成型试验,利用离散元仿真软件基于内置Burgers模型对压缩过程建立仿真模型,并利用控制变量法针对模型参数设计了5组对照试验,分析颗粒模型微观参数对模型宏观力学行为影响规律。仿真试验结果表明:Maxwell体弹性系数增大时,加载至目标载荷所需位移增加,仿真结束时残余应力增加;Maxwell体黏性系数增大时,加载结束后残余应力增加。Kelvin体弹性系数增大时加载至目标载荷所需的位移减小,仿真结束时残余应力减少。Kelvin体黏性系数增大时加载结束时应力突降值增大,但仿真结束时残余应力减小。摩擦系数主要影响加载至目标载荷所需位移,摩擦系数越大,加载至目标载荷位移越小。依此规律,通过调试微观参数,确定适用于描述样品玉米秸秆散粒体物料的仿真模型参数:Maxwell体弹性系数Em为1.75×105N·m-1,黏性系数ηm为2.6×107N·s·m-1;Kelvin体弹性系数Ek为1.8×104N·m-1,黏性系数ηk为0.7×104N·s·m-1,摩擦系数f为0.5。该参数下仿真模型压缩过程力学曲线与实验室物料压缩试验所得力学曲线吻合;物料填充阶段,力链强度受物料自重影响,载荷开始施加后,强力链主要集中于加载面附近,当施加应力达到0.92MPa时,强力链在成型腔内趋于均匀分布。压缩结束后力链分布特征与实验室物料压缩样品特征吻合,证明了所建立的仿真模型的合理性及模型参数确定方法的可行性,为后续生物质物料成型研究提供了参考。     

油用牡丹茎秆切割本构方程及其参数测定

  目的  油用牡丹是我国特有的木本油料树种，属于多年生小灌木，其果实采收可以采用茎秆切割的方式，而灌木茎秆切割机理研究一直是林业生产中的难点问题之一。研究灌木茎秆在不同应变率下的动态力学性能并建立其本构模型对茎秆切割有着重要意义。  方法  通过准静态拉伸试验和动态拉伸试验，研究茎秆塑性变形特点，并提出以Johnson-Cook模型作为本构模型，根据模型参数的物理意义，试验拟合得到模型参数。采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析了油用牡丹茎秆切割过程，并对仿真结果与试验结果进行了相关性分析。  结果  准静态拉伸试验结果表明茎秆断裂过程存在明显的应变硬化现象；动态拉伸试验结果说明茎秆断裂存在显著的应变率效应，拉伸强度随应变率增加而增加；基于试验结果拟合得到了Johnson-Cook模型作为茎秆本构方程时的材料参数值；应用这些参数的模型在茎秆切割仿真中，切割力与切割能量与试验结果对比均无显著性差异，验证了本构方程及参数测定的准确性。  结论  基于Johnson-Cook模型建立了油用牡丹茎秆切割本构方程并验证了其可靠性，为油用牡丹茎秆切割性能的数值模拟研究及采摘机割刀设计提供了依据。      

基于松弛试验的蓖麻籽压榨非线性流变模型

【目的】揭示蓖麻籽压榨过程中的流变特征.【方法】利用单轴压榨试验装置进行应力松弛试验,获取了松弛过程中应力与时间关系.基于试验结果和半理论半经验法,利用改进的广义Maxwell模型建立了蓖麻籽压榨非线性流变模型,使用非线性回归法分段对模型参数进行求解,并将模型计算值与试验结果对比.【结果和结论】综合对比结果可知:模型模拟值与应力松弛试验结果吻合较好,该模型能较好的模拟压榨应变大于0.65时蓖麻籽的非线性流变特性.     

油菜茎秆径向压缩特性试验研究

[目的]为了研究油菜茎秆在脱粒过程中的破碎机理,寻找减少油菜脱粒过程中茎秆破碎的控制策略.[方法]利用微机控制万能材料试验机对油菜茎秆进行径向全压缩和局部压缩试验.对油菜茎秆的径向弹性系数和力学特性进行了测量,对不同曲率半径压头对油菜茎秆局部压缩力学特性的影响进行了研究.[结果]试验结果表明,油菜茎秆径向压缩屈服之前有一个线弹性阶段,茎秆受力与形变表现出良好的线性关系,油菜茎秆径向截面弹性系数为kτ=(1.14±0.16)N/mm;油菜茎秆局部压缩试验中油菜中部主茎秆的屈服极限平均值为150.55 N;通过对油菜茎秆全压缩试验和局部压缩试验对比发现,全压缩试验中油菜茎秆直接被压溃,无明显屈服阶段,茎秆的破碎主要是由于所受载荷超过了茎秆纤维层之间的约束力,其裂痕方向与茎秆轴向平行;油菜茎秆局部压缩试验中,不同曲率半径的压头对茎秆径向压缩受力影响显著,茎秆在相同形变下,曲率半径越大,茎秆受力越大.[结论]建立了油菜茎秆径向压缩理论计算模型,对油菜茎秆所受径向压力的实测值与理论模型计算值对比,发现理论值与实际值的增长趋势一致,验证了该茎秆受力计算模型的可行性.     

油菜茎秆径向压缩特性试验研究

[目的]为了研究油菜茎秆在脱粒过程中的破碎机理,寻找减少油菜脱粒过程中茎秆破碎的控制策略.[方法]利用微机控制万能材料试验机对油菜茎秆进行径向全压缩和局部压缩试验.对油菜茎秆的径向弹性系数和力学特性进行了测量,对不同曲率半径压头对油菜茎秆局部压缩力学特性的影响进行了研究.[结果]试验结果表明,油菜茎秆径向压缩屈服之前有一个线弹性阶段,茎秆受力与形变表现出良好的线性关系,油菜茎秆径向截面弹性系数为kτ=(1.14±0.16)N/mm;油菜茎秆局部压缩试验中油菜中部主茎秆的屈服极限平均值为150.55 N;通过对油菜茎秆全压缩试验和局部压缩试验对比发现,全压缩试验中油菜茎秆直接被压溃,无明显屈服阶段,茎秆的破碎主要是由于所受载荷超过了茎秆纤维层之间的约束力,其裂痕方向与茎秆轴向平行;油菜茎秆局部压缩试验中,不同曲率半径的压头对茎秆径向压缩受力影响显著,茎秆在相同形变下,曲率半径越大,茎秆受力越大.[结论]建立了油菜茎秆径向压缩理论计算模型,对油菜茎秆所受径向压力的实测值与理论模型计算值对比,发现理论值与实际值的增长趋势一致,验证了该茎秆受力计算模型的可行性.     

基于生物量的越冬期后小麦地上部几何参数模型研究

为了定量分析越冬期后小麦主茎叶片、叶鞘、茎秆和麦穗的形态参数与生物量间的关系,本研究以衡冠35、济麦22和衡4399为试材,在试验观测的基础上,分析了不同品种类型小麦叶片长度、最大叶宽、叶鞘长度、叶鞘展开宽度、茎秆长度和直径以及麦穗宽度、厚度和长度等形态参数与相应器官生物量的关系,构建了基于生物量的小麦叶片、叶鞘、茎秆和麦穗形态模型。验证结果显示,除衡4399麦穗长度的模拟值与实测值差异很大、相关性未达显著水平外,其余品种各形态参数的模拟值与实测值均显著相关(P0.05),表明所构建的模型对冬小麦越冬期后植株形态参数具有较好的预测性。     

基于小挠度理论的悬空管道力学分析

根据小挠度理论,建立了黄土塌陷、水冲、滑坡等弓J起的管道悬空段的力学模型,考虑管子自重、防腐层重量、输送介质重量、温度应力、土体的内聚力等对管道的作用,给出了以上各种载荷的计算方法,并利用ANSYS软件计算了不同悬空长度管道的应力分布,找出了最大的Mises应力及位移值,以及它们所对应的位置.     

油菜茎秆的粘弹性特性及本构关系的研究

割刀切割茎秆产生的冲击应力波传播到荚果,当应力幅值超过荚果的抗裂极限时,籽粒脱落引起收获损失.油菜茎秆的粘弹性质对应力波的传播具有很大的影响.通过测定油菜茎秆的粘性系数与弹性模量,采用三元件固体模型建立了油菜茎秆的粘弹性本掏关系,并分析了其应力、应变对时间的响应,从而得到了蠕变曲线及应力松弛曲线.为进一步研究茎秆中的应力波的传播规律,设计优化切割器参数以便减小收获损失,提供了重要数据.     

内聚力-张力学说的新证据

虽然内聚力-张力学说已经建立了一个多世纪,但要完全接受它仍有一些问题,因为它的一个推论是很难证实的,即木质部导管中存在大的负压.特别是近年来木质部压力探针和Z型管试验的结果表明,引起空穴的木质部压力仅在-0.5 MPa以上. 有人根据这一结果认为必须对木质部水分运输的内聚力-张力学说加以修正. 但是,目前又有两个研究小组应用相似改良的Z型管方法测定了产生空穴的木质部压力. 他们的结果显示,不同树种木质部导管保持水分传导的压力范围在-1.2 MPa到-3.5 MPa以下. 这表明树木木质部导管中存在较大负压,从而有力支持了内聚力-张力学说.