工业大麻茎秆力学模型的试验分析（英文）

为了促进工业大麻产业的快速发展,为大麻收获机械的研究与设计提供物料的机械性能参数指标,作为收获机具的研究依据,该文通过综合利用复合材料力学的基础知识对工业大麻茎秆的机械物理模型进行假定,再利用WDW-10万能试验机对工业大麻茎秆各组成部分分别进行轴向拉伸、轴向和径向压缩、径向弯曲等力学性能的试验,从而获得工业大麻茎秆的力学性能数据,再通过复合材料理论的基础知识进行综合分析与计算,获得工业大麻茎秆力学模型的性能参数,最后通过比较分析得出假定的数学模型基本可靠。通过试验得到的木质部轴向弹性模量为1 343.5 MPa,韧皮层径向弹性模量为3 607.5 MPa,茎秆的轴向弹性模量为1 743.50 MPa,茎秆的径向压缩弹性模量为88 MPa,木质部异性面弯剪模量为33.52 MPa,茎秆异性面弯剪模量为31.99 MPa,木质部、韧皮层、茎秆的同性面泊松比为0.3。通过试验数据可以看出,大麻茎秆的各组成部分具有优异的机械性能,其中韧皮纤维的机械性能尤其突出。试验结果表明,工业大麻茎秆径向结构符合复合材料的特性。通过测量工业大麻的力学性能参数,可为优化工业大麻收获机具的强度与刚度提供参考,使机具在收获过程中的功耗最少、割茬质量最高。     

苎麻茎秆力学模型的试验分析

为了提供苎麻收割、剥制机械研究设计的力学参数及理论基础,论文对苎麻茎秆的几何形状进行假定,运用复合材料力学理论建立苎麻茎秆力学模型,利用微机控制万能试验机对苎麻茎秆各向(轴向、径向)及各组分(木质部、韧皮部和茎秆整体)进行拉伸、压缩、弯曲等力学试验,获得力学参数数据,并通过数据的分析计算获得苎麻茎秆力学模型的全部弹性参数。同时,试验结果表明,苎麻茎秆在轴向拉伸中表现更多为木质部的承载作用,其韧皮部与木质部的粘附力不能阻止韧皮部沿木质部表层滑移;苎麻茎秆径向弹性参数测量值和通过各组分弹性参数值计算获得的计算值接近,苎麻茎秆径向符合复合材料的特性。     

木薯力学特性测试

木薯力学特性参数的研究,对木薯收获机械的设计、动力学仿真、数学模型建立具有重要意义。采用物理试验方法,利用中国科学院长春科新试验仪器研究所生产的WDW3100微机控制电子万能实验机,测定了华南205木薯块根、茎秆物理力学特性参数,且对数据进行了数理统计分析,结果表明,木薯块根可视为一各向同性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：0.34、0.74、0.76、0.22、0.37、2.66、7.23、7.22 MPa;木薯茎秆为一各向异性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：10.23、6.26、1.43、1.86、2.53、10.80、5.24、35.36 MPa。     

甘蔗茎秆在扭转、压缩、拉伸荷载下的破坏试验

甘蔗茎秆物理力学特性是建立甘蔗茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下本构关系的基础。该文以“桂林—1号”甘蔗的茎秆为试验材料,采用自制的夹具,在扭转试验机上进行扭转试验,在材料力学万能试验机上进行拉伸、压缩试验。试验结果表明：在扭转荷载下,甘蔗茎秆的破坏形式为产生轴向裂纹;在压缩荷载下的破坏形式为屈曲,并产生轴向裂纹;在拉伸荷载作用下,蔗皮、蔗芯的破坏形式为断裂。对试验用 “桂林－1号”甘蔗茎秆的基部,切变模量的平均值为10.82 MPa,最大剪切应力的平均值为0.45 MPa;基部第一、二、三节的抗压强度平均值分别为14.47 MPa、9.93 MPa和8.24 MPa。基部蔗皮轴向、径向拉伸强度平均值分别为47.02 MPa和2.57 MPa,蔗芯轴向、径向拉伸强度平均值分别为6.71 MPa和1.34 MPa。     

新育牧草茎秆收获期力学特性与显微结构

为分析缠结牧草茎秆力学性能与显微结构的相互关系,进而指导牧草品种优育和设计开发新机具、新工艺提供理论依据,该文以2种新育品系低纤维苜蓿、直立型小冠花和对照品种甘农三号苜蓿、匍匐型小冠花结荚期底部茎秆为研究对象,在500 N微机控制电子万能试验机上测试了茎秆的拉伸和剪切应力-应变规律;试验观察了茎秆的微观组织结构,得到了茎秆扫描电镜下的解剖构造图像。研究表明：牧草茎秆是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀和各向异性的复合材料;同一品系不同品种牧草茎秆生物力学特性不同,其强度和刚度主要取决于各自机械组织的厚度、维管束的数量以及各组织及其细胞之间的连接形式和连接强度。4种牧草结荚期拉伸试验测得平均弹性模量分别是1427.3、673.0、1377.5、441.7 Mpa;30°滑切试验测得平均最大剪切力分别是96.24、60.9、124.1、84.4 N,2种新品系牧草结荚期茎秆均比对照品种刚度大,柔韧性小,需剪切力小,更易机械化收获。     

联合收获油菜脱出物离散元仿真参数标定与试验

针对油菜联合收获清选装置气固耦合仿真分析中缺乏准确可靠的离散元仿真参数的问题,该研究以宜收获时的联合收获油菜脱出物为对象,基于颗粒离散元法的EDEM仿真软件对主要组分接触参数进行标定。开展了油菜茎秆径向单轴平板全压缩试验,测量分析了油菜茎秆泊松比、弹性模量等特征参数;通过斜面法和自由跌落试验测定了籽粒、茎秆、荚壳和钢板间静摩擦系数及碰撞恢复系数,确定了颗粒模型接触参数取值范围。以茎秆堆积角为试验指标,通过基于EDEM 的Plackett-Burman试验筛选出对茎秆堆积角有显著影响的参数,开展了最陡爬坡试验确定了显著性参数最优取值范围,进一步通过Box-Behnken试验建立了显著性参数与茎秆堆积角的二阶回归模型,优化得出了茎秆接触参数最佳组合。标定结果表明：显著性参数最优组合为茎秆-茎秆静摩擦系数0.707、茎秆-茎秆动摩擦系数0.015和茎秆-钢板动摩擦系数0.012,在接触参数最优组合条件下,茎秆仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.54%。在标定参数组合下,基于DEM-CFD开展了油菜联合收获旋风分离清选装置气固耦合分析,并进行了台架验证试验,仿真试验结果表明：旋风分离清选清洁率为94.42%,损失率为3.96%,与台架试验相对误差分别为2.81%和7.48%,验证了标定参数的可靠性,可为油菜联合收获离散元仿真分析提供基础接触参数。     

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。     

谷子茎秆叶鞘叶片及其结合部位的拉伸力学性能

针对谷子机械收获作业过程中存在的秆叶易缠绕问题,该研究以晋谷21、张杂10为对象,分别对谷子不同节间的茎秆、叶鞘、叶片和叶环各部位进行拉伸力学测试,并利用SAS统计软件对测试数据做分析,在此基础上分析了相关力学参数沿茎秆节间的变化规律。2个谷子品种的茎秆在上下节间处的弹性模量、抗拉力和抗拉强度均差异显著(P<0.05)。由茎秆表皮拉伸测试测得晋谷21的茎秆弹性模量为4.15～6.64 GPa,抗拉强度为67.65～130.13 MPa,抗拉力为343.97～1 598.37 N;张杂10的茎秆弹性模量为4.54～7.98 GPa,抗拉强度为73.22～136.50 MPa,抗拉力为167.66～567.54 N。2个谷子品种在不同节间位置、不同部位(叶鞘、叶片及叶环)的抗拉力和抗拉强度差异均极显著(P<0.01)。晋谷21的中上部节间叶鞘、叶片及叶环平均抗拉强度分别为13.30、10.13和4.18 MPa,平均抗拉力分别为122.16、41.23和25.80 N。张杂10的中上部节间叶鞘、叶片及叶环平均抗拉强度分别为13.30、11.77和4.24 MPa,平均抗拉力分别...     

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。     

玉米收获机茎秆堆放装置设计

机械化整秆回收可提高玉米茎秆回收效率、降低回收成本,是玉米茎秆综合开发利用的一个重要环节。在现有玉米收获机械化技术的基础上,开发了玉米茎秆堆放装置,采用铣切刀、搅龙和压送器等部件将玉米茎秆割下、切断并条铺成行,然后由安装在玉米收获机后下方的搂草机构将其集成草堆。堆放装置采用机电液一体化技术,操作人员可通过调节旋钮,方便地改变玉米茎秆的堆间距,机具在地头转向时,操作人员可以通过操作相应按键,方便地控制搂草过程的启、停。试验表明：该玉米收获机茎秆堆放装置工作安全、可靠,与传统的收获相比,玉米茎秆整秆回收效率可提高50%以上。该装置的设计,为玉米茎秆回收和高效生态化利用创造了条件。     

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。     

棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验

针对棉秆重组材原料疏解剥皮的需要,该文利用自制的棉秆剥皮试验台,以测试剥皮剪切强度为目标,对含水率、取样部位、加载强度3个影响因素进行了中心组合试验,对皮附着长度进行了单因素试验,并将泡水软化棉秆和新鲜棉秆进行了比较.结果表明:取样部位、加载强度对轴向与切向剥皮剪切强度影响显著(P＜0.01);含水率对轴向和切向剥皮剪切强度的影响不显著(P＞0.05),三因素间的交互作用均不显著(P＞0.05);加载强度、取样部位、含水率对棉秆剥皮剪切强度的影响依次由强到弱;切向剥皮方式优于轴向剥皮方式;新鲜棉秆的剥皮剪切强度较小,收获后及时剥皮效果好.该研究可为棉秆疏解剥皮装备的设计提供参考.     

苎麻茎秆冲击断裂韧性试验与分析

为了揭示不同含水率的茎秆在冲击载荷下,韧皮部和木质部的分离断裂能分布规律,以收获期二麻为试验对象,参照GB/T 1843-2008试验标准,采用TF-2056B悬臂梁冲击试验机对不同部位和不同含水率条件下的苎麻茎秆进行了冲击断裂能量试验。试验数据表明:苎麻茎秆下端部冲击断裂韧性最大,苎麻整秆最大冲击断裂能平均值为0.5067 J;含水率为84.04%时,苎麻茎秆冲击分离效果最好,连接木质部与韧皮部的"形成层"冲击断裂分离能由下端部至梢部依次为0.3072、0.2165、0.1662 J。该研究为苎麻茎秆收割、储存、剥离时间段选择及低能耗高效率分离机构设计提供理论依据。     

甘薯收获期藤蔓茎秆的机械特性

为探明甘薯收获期藤蔓茎秆机械特性,以便提高甘薯藤蔓机械粉碎还田作业质量,该文农机农艺结合,以江苏南京地区鲜食紫甘薯宁紫1号、宁紫2号为试验对象,应用电子万能试验机、甘薯藤蔓粉碎还田试验机等仪器设备,研究了收获期甘薯藤蔓茎秆含水率和剪切强度的变化,揭示了茎秆含水率、剪切强度和机械碎蔓作业质量的内在关系,获得了含水率在86.92%~70.08%时,2个紫甘薯品种藤蔓茎秆剪切力与含水率之间变化的二次函数回归方程;明确了经验收获期开始时藤蔓茎秆含水率分别为81.5%和78.1%、剪切力分别为90.1和94.8 N;从提高机械作业质量角度出发,提出了收获期内最宜机械碎蔓作业时间约为6~8 d。研究结果为新型甘薯藤蔓粉碎还田机转速、切刀线速度等参数设计提供了直接依据,并为适宜的甘薯收获期选择和适宜机械作业的栽培农艺研究提供了参考。     

机收麻山药离散元模型构建及其仿真参数标定

由于麻山药收获过程缺乏有效数值模拟,在很大程度上阻碍了麻山药收获机的设计与优化。该文测定了麻山药的密度、长度、径向尺寸、抗压、抗弯及抗剪强度,基于离散元法建立了麻山药双峰分布模型,并对黏结参数进行校核;以土壤堆积角为响应值,对沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和表面能4个参数进行标定,建立了土壤堆积角与4个参数之间的回归模型并进行验证,标定了麻山药与钢板、沙壤土间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数。试验结果表明,麻山药双峰分布模型能够表征麻山药的力学特性,参数校核得到法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力及黏结半径分别为9.3×105 N/m、3.0×106 N/m、0.58 MPa、0.14 MPa、3.5 mm;沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数及表面能分别为0.42、0.20、0.30、0.40 J/m3,离散元仿真试验后得到的土壤堆积角与试验结果平均误差为1.48%;麻山药与钢板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.34、0.26、0.049,与沙壤土之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.21、0.38、0.075。研究结果可为麻山药机械化收获及产后加工等仿真试验提供一定的理论参考。