育種小麥籽粒力學特性的有限元分析

魏麗娟，韓正晟，戴　飛，李興凱，高愛民，張克平

(甘肅農業大學 工學院，甘肅 蘭州 730070)

?

育種小麥籽粒力學特性的有限元分析

魏麗娟，韓正晟，戴飛*，李興凱，高愛民，張克平

(甘肅農業大學 工學院，甘肅 蘭州 730070)

在建立育種小麥籽粒幾何模型與有限元計算模型的基礎上，運用有限元分析方法對小麥籽粒在壓載作用下不同受力部位的應力分布進行了分析，獲得了育種小麥籽粒在不同施力位置的壓載作用下的力學性質，從而為深入研究育種小麥籽粒的損傷機制、優化脫粒裝置提供理論依據。經模型仿真計算和試驗結果相比較，得出育種小麥籽粒宏觀破裂位置與破裂方向與有限元分析是一致的。在種子腹面施加壓縮載荷時，種子的宏觀破裂是沿腹溝處的應力裂紋；在種子頂面施加壓縮載荷時，種子的宏觀破裂是從底面兩側開始，在胚頂部與胚乳共生處相交，而后沿胚中部向下擴展的裂紋；種子的宏觀破裂是由內部裂紋引起。

育種小麥籽粒；力學特性；有限元分析

育種小麥在收獲、運輸、干燥及儲藏過程中均受到多種力的作用，從而產生籽粒內部應力，導致小麥籽粒破裂或永久變形，進而影響其利用率、品質和種子發芽率。因此，研究育種小麥籽粒的擠壓力學特性具有重要意義。國內外有許多學者對梨、西瓜、葡萄、番茄、水稻、玉米等農作物的力學特性應用有限元方法進行了大量的分析研究[1-10]。本文應用有限元方法對育種小麥籽粒的受力過程進行仿真分析，獲得育種小麥籽粒在不同施力位置壓載作用下的力學性質，有助于為改進脫粒工藝、脫粒元件選取及減少育種籽粒破碎提供理論依據。為深入研究育種小麥籽粒的脫粒損傷提供借鑒與參考。

1　育種小麥籽粒有限元受力模型的建立

1.1建立育種小麥籽粒物理模型

育種小麥籽粒由麥皮、糊粉層、胚乳和麥胚組成(圖1)。麥皮位于麥粒的最外層，約占粒重的8%，含較多的粗纖維，具有保護種粒的功能；糊粉層約占粒重的7%，具有包裹胚乳作用；胚乳約占粒重的82%，是麥粒的主要組成部分，胚乳細胞壁薄，因其中充滿具有一定晶體結構的淀粉粒，淀粉粒之間填充或多或少的儲藏性蛋白質，作為粘結材料把淀粉粘牢，使胚乳具有不同程度的脆性。由于胚乳占谷粒質量的比例較大，它的力學性能對谷粒收獲、加工、儲運過程中的損傷程度影響較大；麥胚是育種小麥籽粒孕育新生命的部位，生長發育時構成幼根和子葉，雖僅占粒重的1%～3%，但蛋白質、脂肪、礦物質、維生素含量卻十分豐富[11]。

選取試驗材料為西旱1號育種小麥籽粒，將小麥籽粒簡化為具有固體性質的，均勻的線彈性材料，其形狀類似橢球體。根據樣品小麥籽粒實測幾何尺寸，確定橢球體的長軸為7.45 mm，短軸為3.54 mm。因為腹溝對小麥籽粒力學參數有重要影響，故在橢球體沿長軸最外側向內切出深1.75 mm、寬0.10 mm的腹溝。在Pro/E中建立小麥籽粒的幾何模型，如圖2所示。

圖1　小麥內部組織結構簡化截面圖Fig.1　The internal structure of wheat

圖2　小麥籽粒的幾何模型Fig.2　Geometry model of wheat grain

1.2建立有限元計算模型

測定選取的西旱1號育種小麥籽粒含水率為11.3%時，結合育種小麥籽粒壓縮試驗數據與結論[9]，根據布森聶理論[12]，由公式(1)計算出腹面壓縮彈性模量為135 MPa，頂部壓縮彈性模量為155 MPa，泊松比為0.4。

(1)

式(1)中：E—物料彈性模量，Pa；F—壓力，N；D—變形，mm；μ—泊松比；r—壓頭半徑，mm。

本文運用ANSYS有限元分析軟件的結構靜力分析，研究分析育種小麥籽粒受壓縮載荷作用時的力學性能[13]。對于小麥產生的變形，力與位移之間的關系滿足下式：

(2)

式(2)中：[K]—系統結構剛度矩陣；{δ}—系統節點的位移列陣；{F}—總的載荷列陣。

得出各單元節點的位移，根據節點位移求出各單元中的應力。

1.3邊界條件與載荷

在有限元模型的施力位置上切出一個面，載荷施加在該受力面上，這樣載荷可直接施加在主節點上，而且可以簡單地選擇所有需要的節點，并直接指定約束條件。固定位移(約束)施加在施力面的對面。種子頂面施加的分布力范圍為2 mm，分布力125.3 N·mm-1；腹面施加分布力范圍為5 mm，分布力73.5 N·mm-1。施加的力由實驗得出，使種子在該力作用下，恰好不破裂。

2　有限元建模與分析

2.1小麥籽粒進行有限元分析的前提條件

在對小麥籽粒模型進行有限元分析時，假設如下：(1)忽略小麥皮層的影響，麥粒由糊粉層、胚和胚乳組成；(2)麥粒被視為各項同向的線性彈性體；(3)在給麥粒模型施加載荷時，麥粒內部的應力為零，且麥粒的含水率不變。

本文研究春小麥硬粒種子。為能夠充分說明糊粉層、胚乳和胚之間的應力分布，在建立的模型上可以對同一含水率下育種小麥籽粒腹面施加載荷與頂部施加載荷，并對其受力情況進行分析。在不同施力位置和不同的施力方向下對小麥力學特性進行有限元分析，施加力的模型如圖3所示，網格劃分如圖4所示。

2.2腹面加載的有限元分析

在進行腹面加載有限元分析的過程中，選擇有腹溝的一面為約束面，其背面為施加載荷面。腹面施加載荷的有限元分析如圖5所示。從圖5-a，b可以明顯看出，在受力過程中，麥粒的應力峰值出現在腹面的加載面和約束面上，其值為59.44 MPa，麥粒頂部和底端受到應力較小，其值為0.17 MPa。從施加載荷面到約束面，應力值先減小后增大。從圖5-c麥粒Y向位移可明顯看出，育種小麥籽粒腹面加載的應力變形主要出現在麥粒的側面和腹溝處。從圖5-d可以看出，最大壓應力的位置是在育種小麥籽粒的腹面，從腹面到麥粒兩端，壓應力逐漸減小。

a.腹面加載；b.頂面加載。圖3　加載方式Fig.3　Load-applied style

2.3頂面加載的有限元分析

在進行頂面加載有限元分析的過程中，選擇麥粒底面(有胚的一端)為約束面，麥粒頂面為施加載荷面。頂面施加載荷的有限元分析如圖6所示。從圖6-a，b可以看出，頂面受壓縮載荷作用的育種小麥籽粒應力變化與腹面加載截然不同。在接近加載面的腹溝區域出現應力峰值，其值為48.25 MPa，麥粒的加載面和約束面所受的應力較大，在靠近麥粒腹面區域應力值逐漸減小。從圖6-c麥粒X向位移可以明顯看出，育種小麥籽粒頂面加載的應力變形的峰值出現在靠近麥粒底面的腹溝區域內，且相對于麥粒其余部分，腹溝處的應力變形較明顯。從圖6-d可以看出，育種小麥籽粒在壓縮載荷作用下，最大壓應力的位置是在麥粒頂面接近腹溝處。

在CMT2502型微機控制電子萬能試驗機上對育種小麥籽粒進行壓縮試驗，育種小麥籽粒的損傷結果如圖7所示。

在種子腹面施加壓縮載荷時(圖7-a)，種子的宏觀破裂是沿腹溝處斷裂，并在麥粒的側面出現應力裂紋。在這種施力狀態下，種子內部產生的裂紋是由拉應力造成的，應力裂紋是在胚乳與糊粉層的共生部生成，然后沿腹溝處共生部擴展。由于種子產生一定壓縮變形后，胚乳和糊粉層的共生部強度較低而首先破壞，種皮在拉應力作用下斷裂。當育種小麥籽粒產生應力裂紋時，胚乳組織中淀粉顆粒的分離表現為脆性斷裂，主要形式為沿淀粉顆粒和穿過淀粉顆粒的脆性斷裂，細胞壁發生斷裂，淀粉顆粒之間的結合遭到破壞，淀粉顆粒從細胞內脫落出來。一部分細胞的細胞壁與相鄰細胞的細胞壁之間開始出現分離，產生應力裂紋。

a.等效應力；b.第一主應力；c.Y向位移；d.Y向應力。圖5　腹面加載的有限元分析結果Fig.5　Finite element analysis results of abdominal loading

a.等效應力；b.第一主應力；c.X向位移；d.X向應力圖6　頂面加載的有限元分析結果Fig.6　Finite element analysis results for top loading

在種子頂面施加壓縮載荷時(圖7-b)，種子的宏觀破裂是一條從底面(胚部)兩側開始，在胚頂面與胚乳共生處相交，而后沿胚中部向下擴展的裂紋。在施力過程中，麥粒應力的最大值主要出現在胚內，從胚的底部開始，沿胚乳與胚的共生部，應力逐漸減小，胚的底面應力最大。在這種施力狀態下，應力裂紋在胚內部和種子底面接近腹溝處的胚乳內生成。結合育種小麥籽粒組分與微觀結構，這是因為胚乳是淀粉顆粒聚集體，承受力值不大，胚的抗破性也很弱，主要由糊粉層承擔載荷。在胚乳內生成的裂紋向種子邊界擴張，擴張的極限為種子底面腹溝處種皮以下，最終種子的破裂則是在拉應力作用下使腹溝處種皮斷裂。而在胚內生成的裂紋首先由胚內向胚與胚乳的共生部擴展，裂紋接觸到胚與胚乳的共生部后，將沿共生部擴展，最終種子的破裂則是在胚和胚乳分離破裂后，導致種皮在拉應力作用下斷裂。試驗結果表明育種小麥籽粒宏觀破裂位置與破裂方向與有限元分析是一致的。這說明采用有限元分析方法，可以獲得育種小麥籽粒在不同施力位置壓載作用下的力學性質。

a.腹面施加載荷；b.頂面施加載荷圖7　兩種施力方式下麥粒破裂軌跡Fig.7　Cracking track of wheat kernels under two inflicting force manners

3　結論

(1)對育種小麥籽粒腹面加載時，麥粒的應力峰值出現在腹面的加載面和約束面上，麥粒頂部和底端受到應力較小，應力變形主要出現在麥粒的側面和腹溝處。

(2)對育種小麥籽粒頂部加載時，在接近加載面的腹溝區域出現應力峰值，麥粒的加載面和約束面所受的應力較大，在靠近麥粒腹面區域應力值逐漸減小。應力變形的峰值出現在靠近麥粒底面的腹溝區域內，且相對于麥粒其余部分，腹溝處的應力變形較明顯。

(3)育種小麥籽粒在腹面和頂面受力時，都會在小麥腹溝處產生應力裂紋，說明育種小麥籽粒在受力的過程中，在腹溝處易產生應力集中。這也是小麥損傷相對于玉米、水稻損傷的不同之處。因此，在分析小麥損傷時，應充分考慮應力集中問題。

(4)育種小麥籽粒壓縮實驗結果證明：育種小麥籽粒宏觀破裂位置與破裂方向與有限元分析是一致的，這說明采用有限元方法，可以獲得育種小麥籽粒在不同施力位置壓載作用下的力學性質。

[1]宋慧芝，王俊，陳琦峰，等.梨動力學特性有限元分析[J].農業機械學報，2005，36(6):61-64.

[2]王芳，王春光，楊曉清.西瓜的力學特性及其有限元分析[J].農業工程學報，2008，24(11):118-121.

[3]王榮，焦群英，魏德強，等.葡萄的力學性質及有限元模擬[J].農業工程學報，2005，21(2):7-10.

[4]王榮，焦群英，魏德強.葡萄與番茄宏觀力學特性參數的確定[J].農業工程學報，2004，20(2):54-27.

[5]徐立章，李耀明.稻谷與釘齒碰撞損傷的有限元分析[J].農業工程學報，2011，27(10):27-31.

[6]李心平，高連心，馬福麗.玉米種子力學特性的有限元分析[J].農業機械學報，2007，38(10):64-67.

[7]GUSTAFSON R J，THOMPSON D R，SOKHANSANJ S.Temperature and stress analysis of corn kernel-finite element analysis[J].Transactions of the ASAE，1979，22(3):955-960.

[8]JIA F，WANG J，FAN P，et al.Analysis of finite element method on mechanical properties of wheat kernel[J].Interdisciplinary Sciences，Computational Life Sciences，2014，6(4):340-343.

[9]張克平，黃建龍，楊敏，等.冬小麥籽粒受擠壓特性的有限元分析及試驗驗證[J].農業工程學報，2010，26(6):352-355.

[10]常光寶.水稻谷粒的力學性能及脫粒損傷機理研究[D].鎮江:江蘇大學，2009:19-30.

[11]吳同彥，趙書崗，趙錦，等.小麥形態解剖學研究進展[J].安徽農業科學，2010，38(20):10586-10588.

[12]周祖鍔.農業物料學[M].北京:農業出版社，1994:40-50.

[13]宋慧芝，王俊，葉均安.雞蛋蛋殼受載特性的有限元研究[J].浙江大學學報(農業與生命科學版)，2006，32(3):350-354.

(責任編輯張韻)

Finite element analysis on the mechanical properties of breeding wheat grain

WEI Li-juan，HAN Zheng-sheng，DAI Fei*，LI Xing-kai，GAO Ai-min，ZHANG Ke-ping

(School of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China)

The geometric model and the finite element model with the measured results for breeding wheat grain were established.The stress distribution of breeding wheat grain was analyzed under different pressing locations and different pressing loads by applying the finite element method.The mechanical properties of breeding wheat grain under different pressing locations and different pressing loads were obtained，which could be provided as mechanical parameters for further study on mechanical properties，damage mechanism of breeding wheat grain and optimization of threshing machine.It could be concluded that fracture position and fracture direction of breeding wheat grain were consistent with the finite element analysis results after the comparison was made with the model calculation and the experimental results.When the compression load was applied to the seed abdomen，the macroscopic fracture of the seed presented stress cracking along with the abdominal sulcus，and when the compression load was applied to the top of the seed，the macroscopic fracture of the seed presented crack which began at the both sides of bottom，and then intersected at the top of the embryo and the endosperm symbiosis，finally，extended downward along with the middle of the embryo.Therefore，the macro fracture of the seed was caused by the internal cracks.

breeding wheat grain;mechanical properties;finite element analysis

浙江農業學報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):378-382http://www.zjnyxb.cn

魏麗娟，韓正晟，戴飛，等.育種小麥籽粒力學特性的有限元分析[J].浙江農業學報，2016，28(3)： 378-382.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.03

2015-07-13

國家自然科學基金項目(51365003)；甘肅省農業科技成果轉化資金計劃項目(1305NCNA142)

魏麗娟(1988—)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向為農業工程技術與裝備。E-mail:1079486572@qq.com

，戴飛，E-mail:daifei@gsau.edu.cn

S512.1

A

1004-1524(2016)03-0378-05