成熟期巨菌草底部莖稈力學(xué)特性試驗(yàn)

陳文滔　方兵　梁曉　葉大鵬

摘要：研究巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）莖稈力學(xué)特性及其變化規(guī)律是建立巨菌草莖稈材料力學(xué)模型與本構(gòu)關(guān)系的重要基礎(chǔ)。利用SNAS微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)儀對成熟期巨菌草底部莖稈進(jìn)行順紋拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)，獲得其在試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并進(jìn)行分析。試驗(yàn)選取的巨菌草底部莖稈平均含水率為75%，測得的巨菌草底部莖稈順紋拉伸最大抗拉強(qiáng)度的平均值為93.2 MPa，彈性模量平均值為593.8 MPa；順紋壓縮最大抗壓強(qiáng)度平均值為10.1 MPa，彈性模量平均值為126.4 MPa；順紋彎曲最大抗彎強(qiáng)度平均值為11.3 MPa，彈性模量平均值為610.5 MPa。表明巨菌草莖稈的拉伸破壞應(yīng)力參數(shù)與苜蓿（Medicago L.）、毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近，而壓縮與彎曲破壞應(yīng)力參數(shù)卻遠(yuǎn)小于蘆竹（Arundo donax L.）。因此，所獲成熟期巨菌草底部莖稈力學(xué)特性參數(shù)，可為巨菌草機(jī)械切割設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）；莖稈；力學(xué)特性；強(qiáng)度；彈性模量

中圖分類號：S233.75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）08-2031-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.028

Abstract： The research on the variation of mechanical properties of Pennisetum sinese Roxb stalks is important foundation for the establishment of material mechanics model and constitutive relation of P. sinese stalk. Stretching test， compressing test and bending test on the bottom stalks of maturity P. sinese were carried out by using the SNAS computer-controlled electronic universal testing instrument， and the experimental data were analyzed in form of stress-strain curves. The stalks with an average moisture content of 75% were used as meterial. The results showed that the average maximum of pulling resistance intensity along veins is 93.2 MPa； and the modulus of elasticity is 593.8 MPa. The average maximum of stress resistance intensity along veins is 10.1 MPa； and the modulus of elasticity is 126.4 MPa. The average maximum of bend resistance intensity along veins is 11.3 MPa； and modulus of elasticity is 610.5 MPa. The results also indicated that the tensile breaking stress parameters of the P. sinese is similar to Medicago L. and Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.， but is far less than the compression and bend breaking stress parameters of Arundo donax L. Therefore， the parameters of mechanical properties of the mature bottom stalk of P. sinese can provide theoretical background and basic technical parameters of the guidance for the designing of the Pennisetum sp. mechanical cutting machines.

Key words： Pennisetum sinese Roxb； stalk； mechanical properties； strength； elastic modulus

巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）是多年生直立叢生型植物，屬于被子植物門單子葉植物綱禾本科狼尾草屬，分布于熱帶、亞熱帶、溫帶地區(qū)，能耐受短期的干旱，但不耐澇，具有較強(qiáng)的分蘗能力[1]。其外觀似蘆竹（Arundo donax L.），植株高大，最高可達(dá)7.08 m，抗逆性強(qiáng)，莖粗可達(dá)3.5 cm，產(chǎn)量高，粗蛋白和糖分含量高，根系發(fā)達(dá)。從1983年引進(jìn)中國后，經(jīng)過20多年的人工培育，已形成適合國內(nèi)氣候土壤環(huán)境的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)草種。同時，以草為原料栽培食用菌也可以有效解決“菌林矛盾”。巨菌草的莖稈木質(zhì)纖維可作為生物能源與工業(yè)原料，從2008年開始已應(yīng)用于生物質(zhì)發(fā)電、纖維板生產(chǎn)、制造燃料乙醇等新能源用途[2]，其潛在的經(jīng)濟(jì)價值巨大。

目前巨菌草已在福建、寧夏、廣西、浙江、新疆等省（自治區(qū)）和非洲、美洲的許多國家推廣種植[2]。隨著種植面積的不斷擴(kuò)大，實(shí)施巨菌草機(jī)械化收割已經(jīng)成為生產(chǎn)上迫在眉睫的問題，這對于提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率等都具有重大意義，因此有必要對巨菌草莖稈力學(xué)特性展開研究。巨菌草莖稈的力學(xué)性能參數(shù)是研制高效、低耗莖稈切割器的重要參數(shù)依據(jù)，有利于在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)階段中減少研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期。目前，已有學(xué)者研究了蘆竹、苧麻[Boehmeria nivea（L.）Gaudich.]、玉米（Zea mays L.）等作物莖稈的力學(xué)性能[3-5]，而國內(nèi)外對巨菌草的研究主要集中在化學(xué)成分[6，7]、栽培技術(shù)[8，9]、經(jīng)濟(jì)效益[10，11]方面，對巨菌草莖稈的力學(xué)性能研究國內(nèi)文獻(xiàn)尚未見相關(guān)報道。巨菌草的生物結(jié)構(gòu)與竹木等禾本科植物材料類似[12]，其力學(xué)性能上呈現(xiàn)各種向異性、非均性、非線性等[3]。巨菌草在收割過程中，其莖稈的力學(xué)特性對切割刀具的切割損耗、切割角度、切割效率都會產(chǎn)生影響[13]。對巨菌草底部莖稈進(jìn)行力學(xué)特性研究，獲得其最大破壞應(yīng)力、彈性模量等力學(xué)特性參數(shù)，將為巨菌草的切割仿真分析以及切割刀具的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，這對于提高切割效率、降低能耗，實(shí)現(xiàn)巨菌草收割機(jī)械一體化等具有重要的指導(dǎo)意義。為此，試驗(yàn)借鑒木竹材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選取成熟期的巨菌草底部莖稈，測試了其拉伸、壓縮、彎曲的破壞應(yīng)力和彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析，現(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 材料與方法

1.1 材料采集

采用福建農(nóng)林大學(xué)國家菌草工程技術(shù)研究中心東山種植基地的巨菌草莖稈為試驗(yàn)材料，通過巨菌草種植技術(shù)人員了解巨菌草生長周期與生長情況，選取生長良好、直徑18～23 mm內(nèi)的成熟期巨菌草莖稈。巨菌草收割時，對其留茬高度為18～50 mm左右，故采集距離地面18～200 mm的巨菌草莖稈作為試樣。試樣采回后去苞葉，外部擦拭干凈，切勿用清水浸泡。試樣要求通直、無蟲害、無明顯缺陷及表皮完整無損傷。

1.2 試樣的制作

對采集來的巨菌草莖稈去頂、剝皮、鋸掉結(jié)隔，并編號，測量巨菌草莖稈直徑，參照木材和竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法[14，15]制作試樣。拉伸試樣如圖1-a所示，規(guī)格為120.0 mm ×15.0 mm×t mm（長×寬×莖稈壁厚），試驗(yàn)中間有效部分規(guī)格為60.0 mm×2.0 mm×t mm，與兩端夾持部分圓弧平滑過渡；壓縮試樣如圖1-b所示，試樣規(guī)格為30.0 mm×d mm×t mm（高×莖稈外徑×莖稈壁厚），兩端需要用砂紙打磨平整；彎曲試樣如圖1-c所示，規(guī)格為100 mm×d mm×t mm（長×寬×莖稈壁厚）。為防止莖稈在粘有膠墊的兩個夾頭中脫落，通過自制模具，采取將拉伸試樣兩端以牙托粉固定的方法[16]。經(jīng)測定，所選巨菌草莖稈試樣的種植密度為8～9簇/m2，巨菌草平均高度為3～5 m，底部莖稈試樣含水率平均值為75%。試樣的試驗(yàn)環(huán)境溫度為19 ℃，室內(nèi)的相對濕度為48%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)設(shè)備采用深圳市新三思材料檢測有限公司制造的SNAS微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，其精度級別為1級，試驗(yàn)力準(zhǔn)確度與變形準(zhǔn)確度均在1%以內(nèi)。利用該設(shè)備進(jìn)行拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，分別采用井字紋夾頭（圖2-a）、圓盤形平面專用壓頭（圖2-b）和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置（圖2-c）進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)主機(jī)、RG控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3部分組成，在試驗(yàn)運(yùn)行過程中能動態(tài)顯示載荷值、變形值、試臺速度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線等試驗(yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)結(jié)果。3個分試驗(yàn)都重復(fù)4次，采用精度為0.01 mm的數(shù)顯卡尺測量試樣直徑、標(biāo)距等。試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)與分析

將井字紋夾頭夾緊巨菌草試樣的兩端，以10 mm/min的加載速度施加拉伸載荷，得到試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體見圖3。由圖3可以看出，巨菌草莖稈被拉伸直至破壞的過程可分為兩個階段，第一階段試樣在拉伸載荷下逐步達(dá)到破壞極限，其關(guān)系近似線性關(guān)系；第二個階段是當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到巨菌草莖稈最大拉伸強(qiáng)度后，抵抗力迅速降低，巨菌草莖稈被拉斷，試驗(yàn)曲線表現(xiàn)為非線性，再繼續(xù)施加載荷，應(yīng)力震蕩下降。從圖3還可以看出，試驗(yàn)過程中拉伸應(yīng)力達(dá)到巨菌草莖稈最大拉伸強(qiáng)度后，巨菌草莖稈被拉斷，應(yīng)力瞬時急劇下降。試驗(yàn)測得的巨菌草最大抗拉強(qiáng)度的最大值為109.5 MPa，最小值為67.5 MPa，平均值為93.2 MPa，抗拉彈性模量為 491.1～672.2 MPa，平均值是593.8 MPa。

2.2 壓縮試驗(yàn)與分析

將壓縮試樣置于平面壓頭的承載平面，設(shè)置材料壓縮彈性模量控制程序，以10 mm/min的加速度施加壓縮載荷，設(shè)置壓縮位移為1 mm，得到試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體見圖4。由圖4可以看出，巨菌草莖稈沿軸向的壓縮試驗(yàn)過程大致可以分為五個階段，第一是初始變形階段，該曲線呈近似線性形變；第二為一次屈服階段，當(dāng)壓塊的壓力達(dá)到一定值后，再之后就幾乎不再增加，莖稈變形迅速增快，巨菌草莖稈的橫截面形狀開始由圓形變?yōu)椴灰?guī)則橢圓，莖稈的抵抗能力開始下降；第三則抗力恢復(fù)階段開始，在此階段中的變形達(dá)到最大時，莖稈又迅速恢復(fù)了抵抗能力，壓力迅速增加；第四是二次屈服階段，此階段的抗壓應(yīng)力將達(dá)到一定數(shù)值水平，而此階段的壓力幾乎不增加，巨菌草莖稈的變形繼續(xù)加大，直至完全變形；第五為徹底破壞階段，在經(jīng)歷過二次屈服后，莖稈的抗壓能力稍微有了一定恢復(fù)，此時的巨菌草莖稈壓力上升到了最大值，抗壓應(yīng)力也達(dá)到了最大值，巨菌草莖稈在沿著直徑方向上的縱向?qū)ΨQ面開始被破壞。

試驗(yàn)測得的巨菌草最大抗壓強(qiáng)度最大值為10.71 MPa，最小值為9.46 MPa，平均值為10.1 MPa，抗壓彈性模量為100.51～153.21 MPa，平均值為126.4 MPa。

2.3 彎曲試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法，將彎曲試樣作為板材處理[14]，選用材料彎曲彈性模量試驗(yàn)控制程序，定義相應(yīng)的巨菌草試樣截面積，彎曲跨度為80 mm，預(yù)加載荷10 N（保證壓頭與試樣密切接觸），彎曲壓力加載速度10 mm/min。得到試樣彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體見圖5。由圖5可以看出，彎曲應(yīng)力超過最大抗彎強(qiáng)度后巨菌草莖稈斷裂，應(yīng)力下降。試驗(yàn)測得巨菌草莖稈最大抗彎強(qiáng)度的最大值為32.7 MPa，最小值為13.3 MPa，平均值為11.3 MPa，彈性模量平均值為610.5 MPa。

3 小結(jié)

1）在試驗(yàn)條件下，選用成熟期巨菌草底部莖稈為試驗(yàn)材料，測得巨菌草最大抗拉強(qiáng)度的最大值為109.5 MPa，最小值為67.5 MPa，抗拉強(qiáng)度的平均值為93.2 MPa，彈性模量為 491.1～672.2 MPa，平均值是593.8 MPa；最大抗壓強(qiáng)度最大值為10.71 MPa，最小值為9.46 MPa，平均值為10.1 MPa，彈性模量100.51～153.21 MPa，平均值為126.4 MPa；最大抗彎強(qiáng)度的最大值為32.7 MPa，最小值為13.3 MPa，平均值為11.3 MPa，彈性模量平均值為610.5 MPa。

2）試驗(yàn)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線均顯現(xiàn)出一定的非線性特征。拉伸試驗(yàn)中，拉伸應(yīng)力達(dá)到巨菌草最大抗拉強(qiáng)度后，試樣被瞬時拉斷，其應(yīng)變與延伸率都較小，巨菌草拉伸力學(xué)特性表現(xiàn)為一定脆性；壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)載荷超過巨菌草最大抗壓強(qiáng)度后，試樣進(jìn)入緊密壓縮階段，應(yīng)力基本不變，直至試樣壓裂；彎曲試驗(yàn)中，當(dāng)載荷超過巨菌草最大抗彎強(qiáng)度時，試樣瞬間被彎曲折斷，表現(xiàn)為明顯的脆斷性。

3）巨菌草莖稈的拉伸力學(xué)特性與苜蓿（Medicago L.）、毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.）Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近，而壓縮與彎曲力學(xué)特性遠(yuǎn)小于蘆竹。因此，試驗(yàn)所獲成熟期巨菌草底部莖稈力學(xué)特性參數(shù)可為巨菌草機(jī)械切割設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。

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