植物莖稈力學(xué)特性研究綜述

齊勇落 胡迎春 彭帥星

摘 要：從壓縮、剪切、彎曲等不同力學(xué)試驗(yàn)類型入手，對目前農(nóng)作物莖稈力學(xué)性能研究進(jìn)程進(jìn)行探究，在今后研究中，應(yīng)注重試驗(yàn)方法的探究，不斷加大對農(nóng)作物莖稈力學(xué)性能研究力度，建立植物莖稈力學(xué)模型，注重實(shí)現(xiàn)莖稈力學(xué)特性測定的標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；莖稈；力學(xué)實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.208

0 引言

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取農(nóng)作物莖稈的力學(xué)參數(shù)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的研制提供理論支撐。李玉道等[1]通過對不同含水率、不同時(shí)期內(nèi)棉花莖稈剪切強(qiáng)度與剪切功的變化規(guī)律探進(jìn)行探究，獲取了棉花莖稈收獲的最佳時(shí)期，晏科滿等[2]通過對苧麻莖稈的沖擊斷裂能進(jìn)行探究，得知沖擊斷裂能在莖稈下部達(dá)到最大值，為后期苧麻莖稈分離機(jī)械的研制提供理論支撐。陳燕等[3]指出峰值切割力和切割強(qiáng)度與刀片切割速度以及切割角度存在密切關(guān)系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割強(qiáng)度都比平刃小。為后期荔枝采摘機(jī)器人切割機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。薛忠等[4]通過對木薯莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究，獲取了木薯莖桿軸向以及徑向力學(xué)性能的變化規(guī)律，為后期設(shè)計(jì)木薯收獲機(jī)械提供理論支撐；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對甘蔗葉鞘力學(xué)性能進(jìn)行探究。獲取葉鞘最大縱向抗拉強(qiáng)度、最大橫向抗拉強(qiáng)度和最大剪切強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，并給出了甘蔗葉鞘破壞準(zhǔn)則，提出合理有效的甘蔗葉鞘破壞形式，研制出甘蔗葉鞘剝離機(jī)械，剝?nèi)~效果良好。

1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)展

1.1 壓縮實(shí)驗(yàn)

壓縮實(shí)驗(yàn)對于農(nóng)作物機(jī)械化收割過程中降低作物破損率和研究農(nóng)作物的抗倒伏性能具有重要意義。目前，在對植物莖稈進(jìn)行壓縮性能探究時(shí)，主要分為不同方向壓縮實(shí)驗(yàn)和不同部位壓縮實(shí)驗(yàn)兩種形式。

1.1.1 不同方向的壓縮實(shí)驗(yàn)

薛忠等[6]和楊望[7]分別對木薯做了軸向和徑向的壓縮實(shí)驗(yàn)，得知莖稈軸向抗壓強(qiáng)度大于徑向；吳良軍等[8]在荔枝樹枝壓縮性能試驗(yàn)探究中得知，荔枝樹枝順紋抗壓強(qiáng)度明顯高于橫紋抗壓強(qiáng)度。陳燕等[9]通過對荔枝整果壓縮性能進(jìn)行試驗(yàn)探究，得出水平方向所能承受的壓力和變形均低于垂直方向。

1.1.2 不同部位壓縮實(shí)驗(yàn)

莖稈不同部位材料的木質(zhì)化程度、直徑、含水率不同，導(dǎo)致力學(xué)性能存在差異。王偉等[10]通過對不同部位木薯莖稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)得知：生長部位對木薯軸向壓縮性能有極顯著影響，對木薯莖稈徑向力學(xué)性能無顯著影響；何曉麗等[11]研究發(fā)現(xiàn)，大豆莖稈的最大承載能力隨著高度的增加而不斷的減少，抗壓強(qiáng)度沿高度變化趨勢總體不大。杜先軍[12]等通過順紋壓縮實(shí)驗(yàn)，得知棉花莖稈底部壓縮功最大。Heidari 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，百合屬莖稈上部單位壓縮能量和壓縮強(qiáng)度最小，莖稈底部最大。

通過對莖稈軸向和徑向，順紋和橫紋進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，可為后期莖稈采摘裝置的設(shè)計(jì)，本構(gòu)關(guān)系建立以及動力學(xué)仿真提供依據(jù)。而通過對莖稈不同部位力學(xué)性能的研究，對于莖稈整體力學(xué)性能的探究將起到積極的促進(jìn)作用。

1.2 剪切試驗(yàn)

農(nóng)作物的機(jī)械化采摘一般通過莖稈的剪切實(shí)現(xiàn)。剪切實(shí)驗(yàn)的建立對于農(nóng)作物在收割過程中剪切功的降低具有重要的意義，目前雙面剪切和單面剪切是兩種較為常用的剪切實(shí)驗(yàn)形式。

1.2.1 雙面剪切實(shí)驗(yàn)

作物莖稈剪切特性受成熟期、莖稈直徑、品種、含水率和微觀結(jié)構(gòu)等多種因素的影響[14]。李玉道等[1]通過對棉花秸稈剪切實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率是引起棉花秸稈剪切強(qiáng)度變化的重要因素。薛忠等[6]對木薯莖稈不同部位、不同方向的力學(xué)性能進(jìn)行探究，指出木薯莖稈同一部位軸向剪切強(qiáng)度值明顯低于徑向剪切強(qiáng)度值；木薯莖稈同一方向下部剪切強(qiáng)度值高于中部與上部；王軍等[15]在豌豆莖稈力學(xué)性能探究中得知莖稈抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)的部位為莖稈中部。吳良軍等[16]通過對龍眼樹枝進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，得出在切割力最小時(shí)，切割速度 、切割間隙 、動刀刃角的具體數(shù)值。李小城等[17]通過對不同品種小麥莖稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)，探究出小麥莖稈受剪切載荷時(shí)力值變化趨勢。

1.2.2 單面剪切實(shí)驗(yàn)

Johnson等[18]通過對奇崗莖稈的剪切性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)60°斜角時(shí)單位剪切能較低。鄧玲黎等[19]通過自制的圓盤式玉米莖稈切割試驗(yàn)臺，對影響切割過程的切割角度以及切割速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過單因素和組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探尋了最優(yōu)的切割組合。趙春花等[20]通過對不同品種豆禾牧草進(jìn)行砍切、斜切、滑切等探究性試驗(yàn)，得出切割速度一定時(shí)，砍切的切割阻力高于斜切。為后期牧草收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

在對植物莖稈剪切性能的分析量化層面，雙面剪切優(yōu)于單面剪切，但是通過對植物莖稈進(jìn)行單面剪切力學(xué)試驗(yàn)，可以根據(jù)莖稈實(shí)際的受力情況，對現(xiàn)有的切割形式、刀具形式進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)包含三點(diǎn)彎曲與四點(diǎn)彎曲。三點(diǎn)彎曲有一個(gè)加載點(diǎn)，加載方式簡單，但彎矩分布不均勻。四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)與三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)相比，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是存在兩個(gè)加載點(diǎn)，裝夾復(fù)雜。

1.3.1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

姚珺等[21]通過對不同品種芒草莖稈彎曲性能進(jìn)行探究，指出在收割機(jī)械研制的進(jìn)程中，應(yīng)以湘雜芒 2 號第 1 莖稈部位的最大應(yīng)力平均值作為設(shè)計(jì)參數(shù)。楊望[7]通過對木薯塊根、莖稈進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，測定了抗彎強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性參數(shù)；李小城等[22]通過對不同部位小麥莖稈彎曲性能進(jìn)行探究，指出小麥莖稈抗彎剛度與加載速率、莖稈含水率等因素間存在密切聯(lián)系。劉兆朋[23]等通過對苧麻莖稈進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力試驗(yàn)，獲取了莖稈剪切模量數(shù)值。

1.3.2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

Obataya 等[24]通過對楠竹彎曲性能進(jìn)行探究，獲得楠竹柔韌性是由于內(nèi)層木質(zhì)部能允許較大壓縮變形與外層竹纖維能承受拉應(yīng)力的共同作用。胡婷等[25-26]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，獲得小麥莖稈彎曲強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。羅燕等[27]通過對小麥莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究，指出外徑、壁厚、機(jī)械組織厚、維管束等在小麥不同生長時(shí)期，對小麥莖稈抗倒伏能力的影響效果不同；孫露露等[28]在玉米莖稈力學(xué)試驗(yàn)中指出，在對不同樣本縱向彈性模量的差異進(jìn)行分析時(shí)，通常采用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)論

（1）目前在對莖稈的力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，主要仍以工程材料中的力學(xué)參數(shù)為主，由于莖稈材料自身的特殊性，其自身的材料特性并不能得到良好的反映。

（2）在對莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究時(shí)，試驗(yàn)方法、試樣處理方式等還缺乏有效的參考依據(jù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成不利影響。因此后期應(yīng)注重試驗(yàn)方法的研究，逐漸實(shí)現(xiàn)莖稈力學(xué)測定的分類標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）目前，莖稈力學(xué)實(shí)驗(yàn)的測定仍以基本力學(xué)參數(shù)測定為主，需進(jìn)一步對莖稈材料的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入研究，更好的滿足建立莖稈材料力學(xué)模型以及仿真量化計(jì)算的需要，以便于后期運(yùn)用仿真技術(shù)減少農(nóng)作物收獲機(jī)械研發(fā)周期。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51565007）；廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（GKYC201705）

作者簡介：齊勇落（1992-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。

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