苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析

沈　成，陈巧敏，李显旺，张　彬，黄继承，田昆鹏

(农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)



苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析

沈成，陈巧敏，李显旺，张彬*，黄继承，田昆鹏

(农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)

采用复合材料力学弹性参数测试的试验方法，利用WDW-10微机控制电子万能试验机对苎麻木质部和茎秆整体的整秆进行了轴向压缩力学特性的研究。试验结果表明：中苎一号品种苎麻木质部整秆的轴向压缩弹性模量平均值为241.93 MPa，最大抗压强度平均值为12.61 MPa，茎秆整秆的轴向压缩弹性模量平均值为304.85 MPa，最大抗压强度平均值为12.58 MPa；木质部和茎秆整体的弹性模量和抗压强度没有显著差异，茎秆复合中木质部和韧皮部靠自身粘附力在表层粘结，其粘附力不能阻止韧皮部沿木质部表层滑移，在压缩试验中，表现更多为木质部的承载作用。

苎麻；茎秆；压缩；力学

苎麻，原产于我国，是我国古老的特色经济作物，有着悠久的栽培和纤维使用历史[1-3]。西方国家人们称苎麻为“中国草”，日本人称之为“南京草”[4]。苎麻在纤维纺织、食用菌基质、饲用、水土保持和环境治理方面具有很高的利用价值[5-9]，国外曾经把我国的丝绸、山羊绒和苎麻称为中国的三大纤维物宝。长期以来，我国一直是世界上最大的苎麻生产国，苎麻种植面积和产量均占世界总量的90%以上[10-11]。近年来，国内部分科研机构开始着手苎麻收割机和苎麻剥制机械的研究和设计[12-13]，但这些研究重点往往集中在机械结构设计及局部优化方面，忽视了对被加工物料苎麻茎秆的力学特性的研究，致使所研制机具无法达到高质、高效、低能耗的要求[14]。

查询相关茎秆类作物力学特性研究的资料，前人对甘蔗、芦竹、玉米等茎秆作物大量的实验研究结果[15-21]表明，通过对作物茎秆进行压缩或者拉伸等力学测试方式，可以得出茎秆在力学条件之下的测试参数，可以分析茎秆在不同的试验机加载载荷下弹性参数和破坏形式，进而可以对作物茎秆有一个更清晰的了解，并为作物机具的研究和制造提供了基础性参数。基于此，论文采用材料力学弹性参数测试的试验方法，对苎麻木质部和茎秆整体的整秆进行了轴向压缩力学特性的研究，为后续的样机研究和设计提供基础理论数据。

1　材料与方法

1.1试验材料与试样

试验材料选用国家麻类产业体系咸宁苎麻试验站种植的中苎一号品种的三麻，试验材料测得的茎秆材料含水率为63.47%～76.24%(鲜茎含水率)，材料几何结构如图1所示，为木质部和韧皮部两个组分组成的圆管状。

选择试验材料茎秆底部30 cm内的材料制作木质部试样和茎秆试样。木质部试样是将茎秆材料的韧皮纤维层彻底剥离干净，留下木质部，并制作成长12～13 mm的试样，试样截面为圆管形，外径和内径取决于试样本身苎麻茎秆木质部的情况；茎秆试样是将茎秆材料制作长成12～13 mm的试样，试样截面为圆管形，外径和内径取决于试样本身苎麻茎秆木质部的情况。两种试样各制作10组。

图1　苎麻茎秆几何模型Fig.1　The geometrical model of ramie stalk

1.2试验设备

力学测试设备采用WDW-10微机控制电子万能试验机(图2)，使用压缩力学测试压块，测试力量程5 kN。其力传感器以及位移传感器的精度都在±0.1%内。另外，其他的辅助工具包括测试夹具、游标卡尺等辅助测试工具。

1.3试验测定

使用游标卡尺测量各个试样的几何参数(外径D、内径d、长L)并记录；按照试验要求设定万能试验机运动和数据采集方案；试验标准选择面板上的压缩试验标准。试验加载速度为1 mm·min-1，用户参数填入实测的试验材料几何参数，主图像选择应力—应变关系，主参数为最大值；将试样放在两个压块之间(图3)；启动万能试验机进行预紧，预紧力<5 N，预紧后采集系统数据调零；点击开始试验按钮，进行试验，试验数据由万能试验机系统软件自动采集，得到试验的应力—应变曲线；木质部和茎秆试样的试验各重复进行10组。

图2　WDW-10微机控制电子万能试验机Fig.2　WDW-10 PC-controlled universal testing machine

图3　试样放于压缩试验两个压块之间Fig.3　Sample put between two pressing blocks

1.4数据统计与分析

对每组木质部和茎秆试验应力—应变曲线的大量离散点进行数据处理，通过利用SPSS软件依据最小二乘法原理对曲线初段线性的弹性变形部分根据弹性模量的应力应变关系式[22](式1)进行线性回归，得出每组试验数据的弹性模量。利用材料力学公式[23](式2)得出每组试验数据的抗拉强度。

(1)

式(1)中：E—弹性模量，MPa；σ—应力，MPa；ε—应变。

(2)

式(2)中：σp—抗拉强度，MPa；Fmax—加载过程中最大载荷，N；A—试样截面面积，mm2。

2　结果与分析

2.1木质部试验结果与分析

对木质部的10组试样进行轴向整秆压缩试验，其应力—应变曲线如图4所示。从试验结果看，木质部在拉伸载荷的作用下应力应变曲线在预紧段后先进入较为线性的弹性变形阶段，然后，载荷值达到最大后，试件开始破裂，曲线下降。

图4　木质部轴向压缩应力—应变曲线Fig.4　Axial compressive stress-strain curve of xylem

根据计算，木质部试样轴向压缩试验每组弹性模量值和抗拉强度如表1所示。统计计算得其弹性模量平均值E木为241.93 MPa，标准差为73.14 MPa，最大值E木max为375.15 MPa，最小值E木min为133.73 MPa；最大抗压强度平均值σp木为12.61 MPa，标准差为0.97 MPa，最大值σp木max为14.27 MPa，最小值σp木min为11.40 MPa。

2.2茎秆试验结果与分析

茎秆的10组试样进行轴向整秆压缩试验，其应力—应变曲线如图5所示。从试验结果看，茎秆在拉伸载荷的作用下应力应变曲线在预紧段后先进入较为线性的弹性变形阶段，然后，载荷值达到最大后，试件开始破裂，曲线下降。

表1木质部轴向压缩试验结果

Table 1Axial compressive result of xylem

编号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标准差0.290.170.300.9773.14

注：D为外径，d为内径，L为长度，σp为抗压强度，E为弹性模量，表2同。

图5　茎秆轴向压缩应力—应变曲线Fig.5　Axial compressive stress-strain curve of stalk

根据计算，茎秆试样轴向压缩试验每组弹性模量值和抗压强度如表2所示。统计计算得其弹性模量平均值E秆为304.85 MPa，标准差为102.01 MPa，最大值E秆max为486.36 MPa，最小值E秆min为216.84 MPa；最大抗压强度平均值σp秆为12.58 MPa，标准差为2.17 MPa，最大值σp秆max为16.25 MPa，最小值σp秆min为9.52 MPa。

表2茎秆轴向压缩试验结果

Table 2Axial compressive result of stalk

编号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标准差0.260.280.522.17102.01

2.3压缩弹性模量和抗压强度对比

图6为木质部和茎秆的压缩弹性模量的对比图，由图中可以看出，木质部和茎秆弹性模量的区别不明显；图7为木质部和茎秆的抗压强度的对比图，由图中可以看出，木质部和茎秆抗拉强度的区别不明显。上述现象说明茎秆复合中木质部和韧皮部靠自身粘附力在表层粘结，其粘附力不能阻止韧皮部沿木质部表层滑移，在压缩试验中，表现更多为木质部的承载作用。另外，由试验分析结果发现木质部和茎秆的压缩弹性模量和抗压强度的标准差均较大，反映了不同苎麻茎秆之间的力学特性差异较大。苎麻作为植物体，其力学特性受其选取部位、成熟度、含水率等因素影响较大，后期研究和应用中选取苎麻力学特性参数时应在论文研究的基础上考虑扩大数值范围。

图6　各组分轴向压缩弹性模量对比图Fig.6　Comparison of axial compressive elasticity modulus of each part

图7　各组分轴向抗压强度对比图Fig.7　Comparison of axial compressive strength of each part

3　小结

中苎一号品种苎麻木质部整秆的轴向压缩弹性模量平均值为241.93 MPa，最大抗压强度平均值为12.61 MPa，茎秆整秆的轴向压缩弹性模量平均值为304.85 MPa，最大抗压强度平均值为12.58 MPa；木质部和茎秆的压缩弹性模量和抗压强度的标准差均较大，同时反映了不同苎麻茎秆之间的力学特性差异较大；茎秆复合中木质部和韧皮部靠自身粘附力在表层粘结，其粘附力不能阻止韧皮部沿木质部表层滑移，在压缩试验中，表现更多为木质部的承载作用。论文针对苎麻茎秆的力学研究，可以对苎麻机械化收割技术和纤维提取方面的研究提供试验参考。

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(责任编辑张韵)

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

国家麻类产业技术体系种植机械与设备岗位(CARS-19-E22)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD20B05-4)；中国农业科学院科技创新工程项目(茎秆作物机械化收获团队)

沈成(1989—)，男，浙江建德人，助理研究员，研究方向为农业装备工程技术。E-mail: shencheng1989@cau.edu.cn

，张彬，E-mail: xtsset@hotmail.com

S563.1

A

1004-1524(2016)04-0688-05

沈成，陈巧敏，李显旺，等. 苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析[J].浙江农业学报， 2016，28(4)： 688-692.