植物莖稈力學(xué)特性研究論文
摘要：從壓縮、剪切、彎曲等不同力學(xué)試驗類(lèi)型入手，對目前農作物莖稈力學(xué)性能研究進(jìn)程進(jìn)行探究，在今后研究中，應注重試驗方法的探究，不斷加大對農作物莖稈力學(xué)性能研究力度，建立植物莖稈力學(xué)模型，注重實(shí)現莖稈力學(xué)特性測定的標準化。
關(guān)鍵詞：農作物；莖稈；力學(xué)實(shí)驗
隨著(zhù)科技的發(fā)展，農作物機械化生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢，通過(guò)力學(xué)實(shí)驗獲取農作物莖稈的力學(xué)參數，為農業(yè)機械設備的研制提供理論支撐。李玉道等[1]通過(guò)對不同含水率、不同時(shí)期內棉花莖稈剪切強度與剪切功的變化規律探進(jìn)行探究，獲取了棉花莖稈收獲的最佳時(shí)期，晏科滿(mǎn)等[2]通過(guò)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到最大值，為后期苧麻莖稈分離機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度都比平刃小。為后期荔枝采摘機器人切割機構的優(yōu)化設計提供了理論依據。薛忠等[4]通過(guò)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)性能的變化規律，為后期設計木薯收獲機械提供理論支撐；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型電子萬(wàn)能試驗機對甘蔗葉鞘力學(xué)性能進(jìn)行探究。獲取葉鞘最大縱向抗拉強度、最大橫向抗拉強度和最大剪切強度等力學(xué)參數，并給出了甘蔗葉鞘破壞準則，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械，剝葉效果良好。
1力學(xué)實(shí)驗的研究進(jìn)展
1.1壓縮實(shí)驗
壓縮實(shí)驗對于農作物機械化收割過(guò)程中降低作物破損率和研究農作物的.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)驗和不同部位壓縮實(shí)驗兩種形式。
1.1.1不同方向的壓縮實(shí)驗薛忠等[6]和楊望[7]分別對木薯做了軸向和徑向的壓縮實(shí)驗，得知莖稈軸向抗壓強度大于徑向；吳良軍等[8]在荔枝樹(shù)枝壓縮性能試驗探究中得知，荔枝樹(shù)枝順紋抗壓強度明顯高于橫紋抗壓強度。陳燕等[9]通過(guò)對荔枝整果壓縮性能進(jìn)行試驗探究，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)驗莖稈不同部位材料的木質(zhì)化程度、直徑、含水率不同，導致力學(xué)性能存在差異。王偉等[10]通過(guò)對不同部位木薯莖稈進(jìn)行壓縮試驗得知：生長(cháng)部位對木薯軸向壓縮性能有極顯著(zhù)影響，對木薯莖稈徑向力學(xué)性能無(wú)顯著(zhù)影響；何曉麗等[11]研究發(fā)現，大豆莖稈的最大承載能力隨著(zhù)高度的增加而不斷的減少，抗壓強度沿高度變化趨勢總體不大。杜先軍[12]等通過(guò)順紋壓縮實(shí)驗，得知棉花莖稈底部壓縮功最大。Heidari等[13]研究發(fā)現，百合屬莖稈上部單位壓縮能量和壓縮強度最小，莖稈底部最大。通過(guò)對莖稈軸向和徑向，順紋和橫紋進(jìn)行壓縮試驗，可為后期莖稈采摘裝置的設計，本構關(guān)系建立以及動(dòng)力學(xué)仿真提供依據。而通過(guò)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
農作物的機械化采摘一般通過(guò)莖稈的剪切實(shí)現。剪切實(shí)驗的建立對于農作物在收割過(guò)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)驗形式。
1.2.1雙面剪切實(shí)驗作物莖稈剪切特性受成熟期、莖稈直徑、品種、含水率和微觀(guān)結構等多種因素的影響[14]。李玉道等[1]通過(guò)對棉花秸稈剪切實(shí)驗發(fā)現，含水率是引起棉花秸稈剪切強度變化的重要因素。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度值明顯低于徑向剪切強度值；木薯莖稈同一方向下部剪切強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度較強的部位為莖稈中部。吳良軍等[16]通過(guò)對龍眼樹(shù)枝進(jìn)行切割實(shí)驗，得出在切割力最小時(shí)，切割速度、切割間隙、動(dòng)刀刃角的具體數值。李小城等[17]通過(guò)對不同品種小麥莖稈進(jìn)行剪切試驗，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Johnson等[18]通過(guò)對奇崗莖稈的剪切性能進(jìn)行研究，發(fā)現60°斜角時(shí)單位剪切能較低。鄧玲黎等[19]通過(guò)自制的圓盤(pán)式玉米莖稈切割試驗臺，對影響切割過(guò)程的切割角度以及切割速度等參數進(jìn)行調節，通過(guò)單因素和組合設計試驗，探尋了最優(yōu)的切割組合。趙春花等[20]通過(guò)對不同品種豆禾牧草進(jìn)行砍切、斜切、滑切等探究性試驗，得出切割速度一定時(shí)，砍切的切割阻力高于斜切。為后期牧草收獲機械的設計提供了理論支撐。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(guò)對植物莖稈進(jìn)行單面剪切力學(xué)試驗，可以根據莖稈實(shí)際的受力情況，對現有的切割形式、刀具形式進(jìn)行優(yōu)化。
1.3彎曲試驗
彎曲試驗包含三點(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(jiǎn)單，但彎矩分布不均勻。四點(diǎn)彎曲實(shí)驗與三點(diǎn)彎曲實(shí)驗相比，結果較為準確，但是存在兩個(gè)加載點(diǎn)，裝夾復雜。
1.3.1三點(diǎn)彎曲試驗姚珺等[21]通過(guò)對不同品種芒草莖稈彎曲性能進(jìn)行探究，指出在收割機械研制的進(jìn)程中，應以湘雜芒2號第1莖稈部位的最大應力平均值作為設計參數。楊望[7]通過(guò)對木薯塊根、莖稈進(jìn)行彎曲試驗，測定了抗彎強度、彈性模量等力學(xué)特性參數；李小城等[22]通過(guò)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(guò)對苧麻莖稈進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力試驗，獲取了莖稈剪切模量數值。
1.3.2四點(diǎn)彎曲試驗Obataya等[24]通過(guò)對楠竹彎曲性能進(jìn)行探究，獲得楠竹柔韌性是由于內層木質(zhì)部能允許較大壓縮變形與外層竹纖維能承受拉應力的共同作用。胡婷等[25-26]通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗，獲得小麥莖稈彎曲強度等力學(xué)參數。羅燕等[27]通過(guò)對小麥莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究，指出外徑、壁厚、機械組織厚、維管束等在小麥不同生長(cháng)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。
2結論
�。�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)，試驗方法、試樣處理方式等還缺乏有效的參考依據，對實(shí)驗數據的準確性造成不利影響。因此后期應注重試驗方法的研究，逐漸實(shí)現莖稈力學(xué)測定的分類(lèi)標準化。
�。�3）目前，莖稈力學(xué)實(shí)驗的測定仍以基本力學(xué)參數測定為主，需進(jìn)一步對莖稈材料的結構特征進(jìn)行深入研究,更好的滿(mǎn)足建立莖稈材料力學(xué)模型以及仿真量化計算的需要，以便于后期運用仿真技術(shù)減少農作物收獲機械研發(fā)周期。
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