苧麻莖稈軸向壓縮力學(xué)試驗(yàn)與分析

沈　成，陳巧敏，李顯旺，張　彬，黃繼承，田昆鵬

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

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苧麻莖稈軸向壓縮力學(xué)試驗(yàn)與分析

沈成，陳巧敏，李顯旺，張彬*，黃繼承，田昆鵬

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

采用復(fù)合材料力學(xué)彈性參數(shù)測試的試驗(yàn)方法，利用WDW-10微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對苧麻木質(zhì)部和莖稈整體的整稈進(jìn)行了軸向壓縮力學(xué)特性的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：中苧一號品種苧麻木質(zhì)部整稈的軸向壓縮彈性模量平均值為241.93 MPa，最大抗壓強(qiáng)度平均值為12.61 MPa，莖稈整稈的軸向壓縮彈性模量平均值為304.85 MPa，最大抗壓強(qiáng)度平均值為12.58 MPa；木質(zhì)部和莖稈整體的彈性模量和抗壓強(qiáng)度沒有顯著差異，莖稈復(fù)合中木質(zhì)部和韌皮部靠自身粘附力在表層粘結(jié)，其粘附力不能阻止韌皮部沿木質(zhì)部表層滑移，在壓縮試驗(yàn)中，表現(xiàn)更多為木質(zhì)部的承載作用。

苧麻；莖稈；壓縮；力學(xué)

苧麻，原產(chǎn)于我國，是我國古老的特色經(jīng)濟(jì)作物，有著悠久的栽培和纖維使用歷史[1-3]。西方國家人們稱苧麻為“中國草”，日本人稱之為“南京草”[4]。苧麻在纖維紡織、食用菌基質(zhì)、飼用、水土保持和環(huán)境治理方面具有很高的利用價值[5-9]，國外曾經(jīng)把我國的絲綢、山羊絨和苧麻稱為中國的三大纖維物寶。長期以來，我國一直是世界上最大的苧麻生產(chǎn)國，苧麻種植面積和產(chǎn)量均占世界總量的90%以上[10-11]。近年來，國內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)開始著手苧麻收割機(jī)和苧麻剝制機(jī)械的研究和設(shè)計(jì)[12-13]，但這些研究重點(diǎn)往往集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及局部優(yōu)化方面，忽視了對被加工物料苧麻莖稈的力學(xué)特性的研究，致使所研制機(jī)具無法達(dá)到高質(zhì)、高效、低能耗的要求[14]。

查詢相關(guān)莖稈類作物力學(xué)特性研究的資料，前人對甘蔗、蘆竹、玉米等莖稈作物大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[15-21]表明，通過對作物莖稈進(jìn)行壓縮或者拉伸等力學(xué)測試方式，可以得出莖稈在力學(xué)條件之下的測試參數(shù)，可以分析莖稈在不同的試驗(yàn)機(jī)加載載荷下彈性參數(shù)和破壞形式，進(jìn)而可以對作物莖稈有一個更清晰的了解，并為作物機(jī)具的研究和制造提供了基礎(chǔ)性參數(shù)。基于此，論文采用材料力學(xué)彈性參數(shù)測試的試驗(yàn)方法，對苧麻木質(zhì)部和莖稈整體的整稈進(jìn)行了軸向壓縮力學(xué)特性的研究，為后續(xù)的樣機(jī)研究和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與試樣

試驗(yàn)材料選用國家麻類產(chǎn)業(yè)體系咸寧苧麻試驗(yàn)站種植的中苧一號品種的三麻，試驗(yàn)材料測得的莖稈材料含水率為63.47%～76.24%(鮮莖含水率)，材料幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，為木質(zhì)部和韌皮部兩個組分組成的圓管狀。

選擇試驗(yàn)材料莖稈底部30 cm內(nèi)的材料制作木質(zhì)部試樣和莖稈試樣。木質(zhì)部試樣是將莖稈材料的韌皮纖維層徹底剝離干凈，留下木質(zhì)部，并制作成長12～13 mm的試樣，試樣截面為圓管形，外徑和內(nèi)徑取決于試樣本身苧麻莖稈木質(zhì)部的情況；莖稈試樣是將莖稈材料制作長成12～13 mm的試樣，試樣截面為圓管形，外徑和內(nèi)徑取決于試樣本身苧麻莖稈木質(zhì)部的情況。兩種試樣各制作10組。

圖1　苧麻莖稈幾何模型Fig.1　The geometrical model of ramie stalk

1.2試驗(yàn)設(shè)備

力學(xué)測試設(shè)備采用WDW-10微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(圖2)，使用壓縮力學(xué)測試壓塊，測試力量程5 kN。其力傳感器以及位移傳感器的精度都在±0.1%內(nèi)。另外，其他的輔助工具包括測試夾具、游標(biāo)卡尺等輔助測試工具。

1.3試驗(yàn)測定

使用游標(biāo)卡尺測量各個試樣的幾何參數(shù)(外徑D、內(nèi)徑d、長L)并記錄；按照試驗(yàn)要求設(shè)定萬能試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集方案；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇面板上的壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)加載速度為1 mm·min-1，用戶參數(shù)填入實(shí)測的試驗(yàn)材料幾何參數(shù)，主圖像選擇應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，主參數(shù)為最大值；將試樣放在兩個壓塊之間(圖3)；啟動萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力<5 N，預(yù)緊后采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)零；點(diǎn)擊開始試驗(yàn)按鈕，進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由萬能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)軟件自動采集，得到試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；木質(zhì)部和莖稈試樣的試驗(yàn)各重復(fù)進(jìn)行10組。

圖2　WDW-10微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.2　WDW-10 PC-controlled universal testing machine

圖3　試樣放于壓縮試驗(yàn)兩個壓塊之間Fig.3　Sample put between two pressing blocks

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

對每組木質(zhì)部和莖稈試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的大量離散點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過利用SPSS軟件依據(jù)最小二乘法原理對曲線初段線性的彈性變形部分根據(jù)彈性模量的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式[22](式1)進(jìn)行線性回歸，得出每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的彈性模量。利用材料力學(xué)公式[23](式2)得出每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的抗拉強(qiáng)度。

(1)

式(1)中：E—彈性模量，MPa；σ—應(yīng)力，MPa；ε—應(yīng)變。

(2)

式(2)中：σp—抗拉強(qiáng)度，MPa；Fmax—加載過程中最大載荷，N；A—試樣截面面積，mm2。

2　結(jié)果與分析

2.1木質(zhì)部試驗(yàn)結(jié)果與分析

對木質(zhì)部的10組試樣進(jìn)行軸向整稈壓縮試驗(yàn)，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，木質(zhì)部在拉伸載荷的作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線在預(yù)緊段后先進(jìn)入較為線性的彈性變形階段，然后，載荷值達(dá)到最大后，試件開始破裂，曲線下降。

圖4　木質(zhì)部軸向壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4　Axial compressive stress-strain curve of xylem

根據(jù)計(jì)算，木質(zhì)部試樣軸向壓縮試驗(yàn)每組彈性模量值和抗拉強(qiáng)度如表1所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算得其彈性模量平均值E木為241.93 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為73.14 MPa，最大值E木max為375.15 MPa，最小值E木min為133.73 MPa；最大抗壓強(qiáng)度平均值σp木為12.61 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.97 MPa，最大值σp木max為14.27 MPa，最小值σp木min為11.40 MPa。

2.2莖稈試驗(yàn)結(jié)果與分析

莖稈的10組試樣進(jìn)行軸向整稈壓縮試驗(yàn)，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，莖稈在拉伸載荷的作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線在預(yù)緊段后先進(jìn)入較為線性的彈性變形階段，然后，載荷值達(dá)到最大后，試件開始破裂，曲線下降。

表1木質(zhì)部軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Table 1Axial compressive result of xylem

編號D/mmd/mmL/mmσp/MPaE/MPa110.426.0212.5411.87133.73210.206.1212.6012.91272.41310.086.4812.1411.97183.8049.826.3012.5413.26173.59510.206.3813.1613.71303.3969.826.5812.7414.27202.38710.026.2812.7211.40371.15810.786.3612.8011.41289.05910.026.1812.1612.95205.031010.226.3412.4812.31284.78平均值10.166.3012.5912.61241.93標(biāo)準(zhǔn)差0.290.170.300.9773.14

注：D為外徑，d為內(nèi)徑，L為長度，σp為抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，表2同。

圖5　莖稈軸向壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.5　Axial compressive stress-strain curve of stalk

根據(jù)計(jì)算，莖稈試樣軸向壓縮試驗(yàn)每組彈性模量值和抗壓強(qiáng)度如表2所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算得其彈性模量平均值E稈為304.85 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為102.01 MPa，最大值E稈max為486.36 MPa，最小值E稈min為216.84 MPa；最大抗壓強(qiáng)度平均值σp稈為12.58 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為2.17 MPa，最大值σp稈max為16.25 MPa，最小值σp稈min為9.52 MPa。

表2莖稈軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Table 2Axial compressive result of stalk

編號D/mmd/mmL/mmσp/MPaE/MPa112.646.9613.7411.18216.84212.326.3613.149.52240.48312.826.2813.3412.07326.59412.706.4813.7011.65258.60512.346.5613.4413.37224.58612.246.1013.6816.25320.46712.906.4212.6215.60486.36812.526.0412.3011.41222.86912.086.0613.9212.42269.291012.586.2213.2215.02482.42平均值12.516.3513.3112.85304.85標(biāo)準(zhǔn)差0.260.280.522.17102.01

2.3壓縮彈性模量和抗壓強(qiáng)度對比

圖6為木質(zhì)部和莖稈的壓縮彈性模量的對比圖，由圖中可以看出，木質(zhì)部和莖稈彈性模量的區(qū)別不明顯；圖7為木質(zhì)部和莖稈的抗壓強(qiáng)度的對比圖，由圖中可以看出，木質(zhì)部和莖稈抗拉強(qiáng)度的區(qū)別不明顯。上述現(xiàn)象說明莖稈復(fù)合中木質(zhì)部和韌皮部靠自身粘附力在表層粘結(jié)，其粘附力不能阻止韌皮部沿木質(zhì)部表層滑移，在壓縮試驗(yàn)中，表現(xiàn)更多為木質(zhì)部的承載作用。另外，由試驗(yàn)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)部和莖稈的壓縮彈性模量和抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，反映了不同苧麻莖稈之間的力學(xué)特性差異較大。苧麻作為植物體，其力學(xué)特性受其選取部位、成熟度、含水率等因素影響較大，后期研究和應(yīng)用中選取苧麻力學(xué)特性參數(shù)時應(yīng)在論文研究的基礎(chǔ)上考慮擴(kuò)大數(shù)值范圍。

圖6　各組分軸向壓縮彈性模量對比圖Fig.6　Comparison of axial compressive elasticity modulus of each part

圖7　各組分軸向抗壓強(qiáng)度對比圖Fig.7　Comparison of axial compressive strength of each part

3　小結(jié)

中苧一號品種苧麻木質(zhì)部整稈的軸向壓縮彈性模量平均值為241.93 MPa，最大抗壓強(qiáng)度平均值為12.61 MPa，莖稈整稈的軸向壓縮彈性模量平均值為304.85 MPa，最大抗壓強(qiáng)度平均值為12.58 MPa；木質(zhì)部和莖稈的壓縮彈性模量和抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，同時反映了不同苧麻莖稈之間的力學(xué)特性差異較大；莖稈復(fù)合中木質(zhì)部和韌皮部靠自身粘附力在表層粘結(jié)，其粘附力不能阻止韌皮部沿木質(zhì)部表層滑移，在壓縮試驗(yàn)中，表現(xiàn)更多為木質(zhì)部的承載作用。論文針對苧麻莖稈的力學(xué)研究，可以對苧麻機(jī)械化收割技術(shù)和纖維提取方面的研究提供試驗(yàn)參考。

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(責(zé)任編輯張韻)

Test and analysis of axial compressive mechanical properties for ramie stalk

SHEN Cheng， CHEN Qiao-min， LI Xian-wang， ZHANG Bin*， HUANG Ji-cheng， TIAN Kun-peng

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization，MinistryofAgriculture,Nanjing210014，China)

In this paper， elastic parameter test method of composite material mechanics was applied and WDW-10 microcomputer control universal testing machines was used to study the characteristics of axial compressive mechanics on the xylem of ramie and the whole stalk. It was shown that the average axial compressive elasticity modulus of the whole stalk of ramie xylem of Zhongzhu No.1 was 241.93 MPa， and the average maximum stiffness was 12.61 MPa， while the average axial compressive elasticity modulus of stalk was 304.85 MPa， and its average maximum stiffness was 12.58 MPa. There was no significant difference in elasticity modulus and compressive strength between the elasticity modulus of xylem and stalk. In the stalk composition， xylem and phloem bond on the surface upon their adhesion strength which can not prevent the phloem slipping from the surface of xylem. In the compressive test， it mostly showed the load-bearing function of xylem.

ramie; stalk; compression; mechanics

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.04.23

2015-10-27

國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系種植機(jī)械與設(shè)備崗位(CARS-19-E22)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B05-4)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(莖稈作物機(jī)械化收獲團(tuán)隊(duì))

沈成(1989—)，男，浙江建德人，助理研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)。E-mail: shencheng1989@cau.edu.cn

，張彬，E-mail: xtsset@hotmail.com

S563.1

A

1004-1524(2016)04-0688-05

沈成，陳巧敏，李顯旺，等. 苧麻莖稈軸向壓縮力學(xué)試驗(yàn)與分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2016，28(4)： 688-692.