“綠洲一號”穴盤苗莖稈力學特性試驗*

葉大鵬，青家興，林志強，賴鴻康，翁海勇，謝立敏

(1.福建農林大學機電工程學院,福州市,350100;2.福建省農業信息感知技術重點實驗室,福州市,350100)

0 引言

“綠洲一號”為狼尾草屬牧草巨菌草的一類,可用以治理環境、修復土壤、培養食用菌類、制成動物飼料與能源燃料等,具有極大的使用與研究價值[1]。采用傳統扦插的方式種植“綠洲一號”,其成活率較低[2]。現大部分“綠洲一號”種植方式采用穴盤苗移栽種植,主要以人工配合半機械化移栽設備完成,其工作效率無法滿足近年“綠洲一號”菌草的種植規模需求。移栽作業時,大部分由人工完成運苗、取苗等工作,勞動強度較大,勞動效率較低[3-4]。探究“綠洲一號”穴盤苗莖稈的力學特性,可為后續取苗機構執行部件的取苗方式、力度以及取苗運動軌跡提供可靠的力學理論支撐[5]。

現有關菌草穴盤苗莖稈力學的研究較少,大部分集中于成熟作物莖稈的力學特性研究[6],為后續的采摘收獲、種植等工作提供力學參考。為優化取苗機構的取苗成功率,謝守勇等[7]進行辣椒穴盤苗莖稈的抗壓力學試驗,并以此為設計依據,選定夾莖式取苗的高度并優化苗夾的間距以及投苗位置。賈生濤等[8]對大蒜的形態特征進行測量并完成回歸分析,得到不同種類大蒜主要以厚度以及長度為標準進行分級,為后續大蒜排種機結構設計提供理論依據。為確定后續采摘、收獲的位置,李紅波[9]、史瑞杰[10]、高文碩[11]分別對谷子、胡麻莖稈以及金針菇進行分段拉伸試驗,得到靠近根部位置的抗拉特性的參數均大于其他部位。馬秋成等[12]對蓮仁壓縮試驗建立有限元仿真模型,得到與試驗相近的仿真分析結果,表明應力最大出現在加載載荷施加處,破碎也出現在該位置。董楸煌等[13]對成熟的巨菌草的莖稈進行軸向壓縮以及徑向壓縮試驗,并通過ANNSY完成靜力學仿真分析,試驗與仿真均表明徑向壓縮要遠小于軸向壓縮,并驗證了有限元分析法能滿足莖稈的力學分析。

本文對“綠洲一號”穴盤苗莖稈進行拉伸、壓縮、彎曲以及穴盤苗拔取脫盤試驗,得到其對應的力學特性曲線與參數,為后續“綠洲一號”菌草移栽提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在福建農林大學機電工程學院農業物料實驗室內開展。試驗材料選用福建農林大學旗山校區菌草研究中心溫室內培育的“綠洲一號”穴盤苗。種植的穴盤規格為32穴(8行×4列),高度為110 mm,外形尺寸為540 mm×280 mm,單穴孔為長方形錐體,上口徑為60 mm×60 mm,下口徑為23 mm×23 mm。試驗采用的育苗基質的配方比為珍珠巖∶蛭石∶泥炭=1∶1∶1。“綠洲一號”種節泡水24 h,扦插32孔穴盤之中,溫室育苗30天。

試驗儀器選用ZT-969型單柱萬能材料試驗機(量程0～2 000 N,選擇配套的試樣夾具,可完成拉伸、壓縮、彎曲等試驗要求,儀器精度±1%)、電子秤(精度0.01 g)、電子游標卡尺(精度0.01 mm)以及物料烘干箱等。

1.2 試驗方法

1.2.1 形態特征試驗

穴盤中挑選出20株長勢良好且基質完整無損壞的穴盤苗,完成形態特征的測量。采用電子游標卡尺對穴盤內的自然狀態下的穴盤苗進行測量并獲取穴盤苗高度、穴盤基質上表面與第一片真葉高度、穴盤苗葉冠橫向最大、縱向最大距離以及靠近穴盤基質底部的莖稈直徑。

將上述測量的穴盤苗取出,采用電子游標卡尺測量其基質高度以及上表面的寬度;采用電子秤測量整株穴盤苗總質量、每株苗的基質質量以及去掉基質的苗的質量;取下穴盤苗的莖稈部分并測量其質量,放入物料烘干箱內,采用70 ℃烘干6 h,測量其烘干后的質量,得到莖稈的含水率。

1.2.2 莖稈拉伸試驗

莖稈拉伸試驗采用ZT-969型單柱萬能物料試驗機,采用拉伸夾具將莖稈上下兩端固定于測試試驗機上,保證莖稈的軸線與試驗機的拉力方向平行。

本試驗將穴盤苗莖稈分為0～20 mm、20～40 mm兩段,分別測量其拉伸性能。設置加載速度分別為15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min,每種加載速度重復測試10次,計算其平均值。采用莖稈分段的試驗,測試其兩段的抗拉特性,為后續移栽的夾持段的選擇提供參考。“綠洲一號”穴盤苗莖稈拉伸強度計算公式如式(1)所示。

σ1=Ft/A

(1)

式中:σ1——莖稈的抗拉強度,MPa;

Ft——拉伸破壞載荷,N;

A——拉伸破壞的莖稈的橫截面積,mm2。

1.2.3 莖稈徑向壓縮試驗

萬能物料試驗機調整至壓縮測試方法,選擇合適的壓縮試驗夾具。本試驗取莖稈的0～20 mm段以及20～40 mm段作為徑向壓縮試樣。試樣放置于壓縮夾具之間,調整上夾具,使其下降并輕觸試樣上表面,隨后試驗機開始加載測試,得到“綠洲一號”穴盤苗莖稈的壓縮特性曲線。為探究不同速度下莖稈的壓縮特性,得到對應的壓縮載荷以及壓縮應力,本試驗采用4種不同加載速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)分別進行莖稈壓縮試驗,每種加載速度測試重復10次。“綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮強度[14]計算公式如式(2)所示。

(2)

式中:σ2——莖稈的抗壓強度,MPa;

Fc——莖稈壓縮破碎最大力,N;

d——莖稈直徑,mm;

s——莖稈壓縮破碎時上夾具的位移,mm;

l1——壓縮莖稈長度,mm。

1.2.4 莖稈彎曲試驗

根據GB/T 1936.1木材抗彎強度試驗和GB/T 1936.2木材抗彎彈性模量的測試方法,開展三點彎曲試驗。莖稈彎曲試驗采用ZT-969型單柱萬能物料試驗機,取穴盤基質上方莖稈0～40 mm段作為彎曲試驗的試樣,平均直徑4.2 mm,莖稈的含水率平均值為90.2%。試驗時,彎曲下夾具之間的跨距為20 mm,將莖稈試樣對稱放置于下夾具之間,試驗中,莖稈與加載力方向保持垂直,上方壓頭與試樣上表面輕觸[15]。開始加載測試,得到“綠洲一號”菌草莖稈的彎曲特性曲線。選取4個不同加載速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)對莖稈進行彎曲試驗,每種加載速度測試重復10次。“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲強度計算公式如式(3)所示。

(3)

式中:σ3——莖稈的抗彎強度,MPa;

Fb——彎曲加載最大力,N;

l2——莖稈彎曲試樣長度,mm;

I——截面對中性軸的力矩,mm4。

1.2.5 穴盤苗脫盤力試驗

“綠洲一號”穴盤苗的根系發達,纏繞著培養基質,將穴盤苗拔出時,下方根系將會帶著部分培養基質一起從穴盤內拔出。試驗時,上夾具將莖稈上方部分加持,下方穴盤保持固定,上夾具向上加載至整株苗完全從穴盤內脫離,試驗方才結束。該試驗重復20次,探究將“綠洲一號”穴盤苗拔取出穴盤所需的最大力。

2 試驗結果分析

2.1 形態特征試驗分析

穴盤中挑選出20株長勢良好且基質完整無損壞的“綠洲一號”穴盤苗進行試驗,得到其形態特征參數以及質量參數,穴盤苗的形態如圖1所示。

圖1 “綠洲一號”穴盤苗形態特征

測量穴盤苗的形態參數:穴盤苗高度h1、基質上表面與第一片真葉的距離h3、葉面寬a、葉面高b、靠近穴盤基質底部的莖稈直徑c、拔出穴盤苗后的基質寬度w與高度h2、穴盤苗莖稈的含水率以及真葉數目,對上述參數進行測量并完成數據處理,具體參數見表1。測量得到穴盤苗的質量參數:整株穴盤苗的平均質量為128.29 g,每株苗的基質的平均質量為115.18 g,去掉基質的苗的質量平均值為13.11 g。

表1 “綠洲一號”穴盤苗形態參數

2.2 莖稈抗拉力學試驗分析

由前文基質到第一片真葉的距離范圍為37.1～69.8 mm,平均值為45.97 mm。故本拉伸試驗將莖稈為兩段:0～20 mm段、20～40 mm段,分別進行拉伸試驗,得到拉伸特征曲線如圖2所示,對其進行數據處理,結果見表2。

表2 “綠洲一號”穴盤苗拉伸力學特性參數

圖2 “綠洲一號”穴盤苗莖稈拉伸位移—載荷曲線

由圖2可知,曲線分為兩段:第Ⅰ段對應曲線OA,拉伸載荷與拉伸位移呈現線性關系,拉伸載荷隨著拉伸位移增大逐漸增大,直到A點出現最大的拉斷力,莖稈開始出現斷裂,該段的擬合曲線為y=7.286x,相關性系數為0.987;第Ⅱ段對應曲線AB,菌草莖稈持續被拉斷,到達B點,莖稈被完全拉斷,拉伸載荷變為0 N。

由表2可以看出,莖稈從底部向上的莖稈直徑逐漸變小,莖稈的拉斷力范圍以及拉斷力的均值從0～20 mm段到20～40 mm段也逐漸減小;在15 min/mm與20 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的拉伸強度大于20～40 mm段;25 min/mm與30 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的拉伸強度小于20～40 mm段;在15 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的彈性模量大于20～40 mm段,見圖3;其余壓縮速度下,0～20 mm段莖稈的彈性模量小于20～40 mm段。由于0～20 mm段莖稈的拉斷力大于20～40 mm段,故移栽選擇夾取部分為0～20 mm段莖稈。

圖3 不同段“綠洲一號”穴盤苗莖稈拉伸位移—載荷曲線

2.3 莖稈徑向抗壓力學試驗分析

將穴盤苗莖稈的0～20 mm、20～40 mm兩段作為壓縮試樣,采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四種加載速度進行莖稈的壓縮特性試驗,得到其壓縮特性曲線如圖4所示,并對其進行數據處理,見表3。

表3 “綠洲一號”穴盤苗壓縮力學特性參數

圖4 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮位移—載荷曲線

由圖4可以看出:曲線分三段:第Ⅰ段為OA段所對應的彈性階段、第Ⅱ段為AB段對應屈服階段、第Ⅲ段為BC對應壓緊階段[16]。彈性階段的壓縮位移與壓縮載荷呈近似線性關系,該段的擬合曲線為y=28.392x,相關性系數為0.999;壓縮載荷達到A點所對應的最大壓縮載荷時,莖稈將破碎,A點對應的載荷為最大壓縮力;壓縮位移達到第Ⅱ段時,壓縮位移逐漸增大,壓縮載荷呈現波動的趨勢;在BC段時,壓縮位移逐漸增大,壓縮載荷急劇增長,試樣將被逐步壓緊。

由表3可以看出,0～20 mm段莖稈比20～40 mm段莖稈的直徑更大,在四種壓縮速度之下,0～20 mm段莖稈的最大壓縮力均大于20～40 mm段莖稈(圖5)。在15 mm/min與30 mm/min的壓縮條件下,0～20 mm段莖稈的抗壓強度、彈性模量以及其余參數均高于20～40 mm段。在20 mm/min與25 mm/min的壓縮條件下,20～40 mm莖稈的彈性模量大于0～20 mm段,但其他的壓縮力學特性參數仍小于0～20 mm段莖稈。移栽夾持段應選擇0～20 mm段,該段擁有較大的抗壓力學性能。

圖5 不同段“綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮位移—載荷曲線

2.4 莖稈抗彎力學試驗分析

本試驗取“綠洲一號”穴盤苗莖稈0～40 mm作為彎曲試樣,開展莖稈的彎曲特性試驗,得到其彎曲特性曲線見圖6,并對其結果分析,具體參數見表4。

表4 “綠洲一號”穴盤苗彎曲力學特性參數

圖6 “綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲位移—載荷曲線

由圖6可以看出,曲線分3個階段:第Ⅰ段對應曲線OA:彎曲載荷逐漸增加,莖稈彎曲變形位移隨之增加,呈線性關系,該段擬合曲線為y=1.748x,相關性系數為0.964。當載荷增大到達A點時的載荷,莖稈變發生最大的彎曲破裂,不能恢復原狀,故稱A點對應的載荷為彎曲最大載荷;第Ⅱ段對應曲線OB:彎曲位移繼續增大,莖稈繼續被壓彎且承受載荷的能力下降;第Ⅲ段為B點及以后曲線,試樣被破壞,不具有抗彎能力,載荷趨于穩定。

采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四種加載速度進行“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲特性試驗。表4數據表明:莖稈的最大彎曲載荷平均值為10.07 N,最大彎曲位移的平均值為8.22 mm,最大彎曲彈性模量平均值為7.51 MPa,抗彎強度最大的平均值為3.95 MPa;莖稈彎曲的特性曲線其規律大致相同,同組參數的數值波動范圍較小。在4種不同的加載速度下,15 mm/min的壓縮速度下的抗彎強度與彎曲彈性模量均值最小。選取直徑相近的試驗莖稈的彎曲特性曲線,比較彎曲特性曲線(圖7)。

圖7 4種加載速度下“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲位移—載荷曲線

從圖7可以看出,30 mm/min的加載速度之下試驗得到的抗彎強度以及彎曲彈性模量最大。彎曲壓頭的加載速度越大,莖稈承受載荷的能力逐漸上升,抗彎強度以及彎曲彈性模量逐漸增大。

2.5 穴盤苗脫盤力試驗分析

試驗中將莖稈部分通過上夾具夾持,將下方穴盤固定,開展穴盤苗脫盤力測試試驗,直到穴盤苗完全拔出。試驗結果表明:“綠洲一號”穴盤苗最大脫盤力的范圍為2.01～10.81 N、平均值為5.16 N、標準差為2.43。據表2數據分析,存在菌草脫盤力大于少數較細的“綠洲一號”穴盤苗莖稈的拉斷力,表明夾莖稈取苗方式能夠滿足取苗工作要求。在基質含水率80%左右的條件下拔取穴盤苗,拔出具有完整的基質菌草苗較少,大部分為帶有部分基質或完全不帶基質,見圖8。

圖8 “綠洲一號”穴盤苗脫盤拔出實物圖

當拔取完整的基質的穴盤苗(圖1)時,其拔取位移—載荷曲線(圖9)分為三段:第Ⅰ段為曲線OA,該段變形位移與載荷呈現線性關系[17],擬合得到拔取位移與載荷關系式為y=1.687x,相關性系數為0.991。A點對應的載荷為最大拔取力,此時的拔取力約等于穴盤基質與穴盤之間靜摩擦力與整株菌草穴盤苗的重力之和;第Ⅱ段為曲線AB,隨后拔取位移逐步增大、拔取力逐漸減少,此時穴盤基質與穴盤之間靜摩擦力逐漸變為動摩擦力,此時脫盤力逐漸減小;第Ⅲ段為曲線BC,整株穴盤苗被拔出時,脫盤力等于拔出的穴盤苗的整株重力。

圖9 “綠洲一號”穴盤苗拔取完整基質拔取位移—載荷曲線

3 莖稈仿真分析

3.1 莖稈仿真模型建立

為探究試驗方案的可行性,觀察莖稈壓縮時應力的分布以及判斷莖稈破碎的位置,本文采用有限元方法建立了莖稈的徑向壓縮仿真。莖稈的有限元仿真模型為長度20 mm、直徑為4.5 mm的實心圓柱體,并進行模型簡化:材料均勻,具有各向同性、忽略壓縮時含水率與溫度的變化影響[18]。仿真所建立的材料屬性:彈性模量設定為含水率87.8%的0～20 mm段莖稈在壓縮試驗中測試所得的彈性模量值3.10 MPa;由植物材料泊松比大致范圍為0.2～0.5[19],故選取莖稈泊松比為0.4;選擇0.5 mm的劃分網格精度。在ANASYS2019中建立上下兩個壓盤,對該莖稈模型進行施加力進行仿真壓縮。選取上訴莖稈的壓縮試驗數據中的6個載荷:10.42 N、20.668 N、30.377 N、39.668 N、59.968 N、70.56 N作為壓縮仿真載荷并完成壓縮試驗與仿真的試驗誤差對比。

3.2 莖稈仿真分析

由圖10、圖11可知:仿真得到的徑向壓縮應力為0.409～3.2 MPa,徑向壓縮時莖稈的上頂圓弧面處的應力與應變均為最大,這與徑向壓縮試驗的莖稈破碎的位置一致。

圖10 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮的應力仿真

圖11 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮的位移仿真

采用6個載荷進行仿真分析得到仿真壓縮載荷—變形曲線(圖12),其曲線與試驗得到曲線的相關系數為0.993,得到仿真值與試驗值的偏差范圍為3.5%～15.5%。故有限元分析法能夠仿真模擬“綠洲一號”穴盤苗莖稈的力學特性。仿真值仍然與試驗值存在偏差,大致原因可能有:試驗中的莖稈不均勻,仍然存在各向異性;試驗壓縮會造成莖稈含水率的急劇變化;簡化的圓柱體模型與試驗中的莖稈存在偏差等[20]。

圖12 試驗值與仿真值偏差圖

4 結論

1) “綠洲一號”穴盤苗的整體高度范圍為205.2～302.9 mm,其葉面寬、葉面高都比較大、莖稈較細,莖稈的含水率在86.2%～95.23%之間。穴盤苗的質量大部分集中在基質上,去掉基質的苗的質量占整株質量約10%。

2) 拉伸試驗中,在4種拉伸加載速度下,0～20 mm段莖稈的最大拉伸力均大于20～40 mm段莖稈,部分20～40 mm段莖稈的彈性模量大于0～20 mm段莖稈。壓縮試驗中,探究了莖稈的兩段壓縮特性關系,0～20 mm段莖稈的最大壓縮力均大于20～40 mm段莖稈。彎曲試驗中,相近直徑的莖稈,壓縮速度越大,試驗測試得到的抗彎強度以及彈性模量也越大。綜上所述,移栽夾持部分選擇0～20 mm段莖稈。

3) 建立有限元仿真模型,得到仿真壓縮載荷—變形曲線,與試驗曲線趨勢相近,其相關系數達到0.993,得到的仿真值與試驗值最大偏差為15.5%,說明有限元分析法能夠模擬莖稈的壓縮力學特性。