谷物力學(xué)特性的試驗方法論文
1有限元分析法
國內外有許多學(xué)者結合谷物的物理特性，建立有限元模型，應用有限元方法來(lái)研究谷物的力學(xué)特性。和實(shí)驗和數學(xué)計算方法比較，有限元法可以獲得谷物受載荷時(shí)的微觀(guān)力學(xué)特性，以及谷物內部應力分布規律。Irudayaraj等[22-23]根據材料的粘彈性，利用二維有限元程序計算了玉米縱截面上的各應力分量隨時(shí)間變化的過(guò)程。并通過(guò)有限元分析求出了烘干過(guò)程中玉米內部最大應力出現的時(shí)間、位置，以及與外界烘干條件的關(guān)系。李新平等[24]對玉米種子力學(xué)特性進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)建立玉米種子的物理模型和有限元計算模型，模擬加載過(guò)程，分析了玉米種子在頂部和腹部施加載荷的變化情況，應力分布云圖如圖1、圖2所示。分析結果顯示：玉米種子宏觀(guān)破裂位置和破裂方向與LDS微型控制電子拉力實(shí)驗機上對玉米種子進(jìn)行壓縮實(shí)驗得到結果的一致，并獲得不同施力位置載荷下的微觀(guān)力學(xué)特性。張克平等[19]結合小麥籽粒的幾何特征，建立了受擠壓時(shí)的有限元模型，通過(guò)分析得出：用有限元分析法模擬小麥籽粒在3種不同壓縮型式下的力-位移曲線(xiàn)，和實(shí)驗得到的力-位移曲線(xiàn)最大偏差為12%；小麥籽粒受壓縮載荷是的內部應力云圖如圖3所示，小麥籽粒在H型和B型壓縮時(shí)，最大應力出現在腹溝附近與實(shí)驗結果一致。
2谷物組織結構與力學(xué)性能
2.1谷物內部結構與力學(xué)性能
由于谷物內部組織結構復雜，各部分物質(zhì)成分不同，機械強度也不一樣。因此谷物的內部結構對力學(xué)性能有較大影響，研究谷物力學(xué)性能需與內部結構結合起來(lái)進(jìn)行分析。小麥籽粒由麥皮、胚乳和胚等部分組成，其中麥皮由果皮、種皮、珠心層和糊粉層組成[25]。文獻[26]通過(guò)實(shí)驗得到的數據證明了含水率相同時(shí)，小麥皮層和胚乳的機械強度不同；含水率不同時(shí)，胚乳、皮層和麥粒的機械強度變化趨勢不同，胚乳的水分越低，強度越高，但皮層則相反。小麥在制粉前要先對其潤麥處理，使小麥的不同組織含有不同的水分，這樣降低了各組分的硬度，進(jìn)而降低了小麥的機械強度，從而減少了研磨時(shí)的能量損耗。陳志成、李碩碧等通過(guò)對不同硬度的小麥觀(guān)察他們的微觀(guān)結構發(fā)現：硬質(zhì)小麥的皮層結構比軟質(zhì)小麥的皮層結構緊密，而且分層更清晰；硬質(zhì)小麥的胚乳結構比軟質(zhì)小麥的致密；硬質(zhì)小麥的蛋白質(zhì)與淀粉比軟質(zhì)小麥的蛋白質(zhì)和淀粉的結合更緊湊[25，27]。玉米籽粒結構為：種皮、胚、胚乳（粉質(zhì)胚乳和角質(zhì)胚乳）和位于基部的果柄。張鋒偉等[20]對玉米籽粒力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗分析表明：隨著(zhù)含水率的增加，玉米籽粒的硬度、抗壓能力和抗剪能力都明顯下降，而且過(guò)縱軸的抗剪能力明顯高于過(guò)橫軸的抗剪能力。分析其原因：玉米籽粒的側面主要由角質(zhì)胚乳組成，而角質(zhì)胚乳的硬度又大于粉質(zhì)胚乳和胚，所以角質(zhì)胚乳在抗破碎中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。Brass[28]實(shí)驗發(fā)現：玉米籽粒不同結構的力學(xué)特性均不相同，所以各部分能承受沖擊力的程度也不同。玉米的破裂過(guò)程首先發(fā)生在內部結構尖冠、胚、粉質(zhì)淀粉、角質(zhì)淀粉，最后才是種皮。張洪霞[29]通過(guò)對稻米力學(xué)指標主成分進(jìn)行了分析，得到：主成分PRIN1主要綜合了硬度、彈性模量、剪切破壞力、擠壓破壞應力、松弛模量第2分量等5個(gè)因子的變異信息，這5個(gè)變量跟稻米的硬度有關(guān)，因此稱(chēng)PRIN1為“硬度因子”；主成分PRIN2主要綜合了剪切破壞能、松弛模量的第一分量、及松弛時(shí)間的第一分量等3個(gè)因子的變異信息，這3個(gè)變量跟稻米的彈性有關(guān)，因此稱(chēng)PRIN2為“彈性因子”；第3個(gè)主成分PRIN3主要綜合了擠壓破壞力、松弛時(shí)間的第三分量，這2個(gè)變量跟稻米的黏性有關(guān)，因此稱(chēng)PRIN3為“黏性因子”。
2.2谷物幾何特征與力學(xué)性能
谷物的幾何特征獨特，大量研究結果顯示，幾何特征對谷物的力學(xué)性能具有重要的影響。力學(xué)實(shí)驗中對谷物的擠壓主要有三種形式：腹面（或H型）、側面（或B型）和頂面（或L型），如圖4和圖5所示。對谷物的剪切主要有兩種形式：縱軸剪切和橫軸剪切，如圖6所示。玉米種子抗壓特性實(shí)驗的結果顯示[15]：含水率相同的同一品種，最大破裂力在平放時(shí)最大，側放時(shí)次之，立放時(shí)最小，而且平放時(shí)的最大破碎是立放的2.21倍左右；同一種放置方式時(shí)，不同品種玉米種子的壓力各不相同；不同放置方式時(shí)，不同的受壓面生成裂紋的部位、形狀和規律也不同，對不同含水率的小麥籽粒的擠壓實(shí)驗[19]分析得到：H型與L型擠壓時(shí)的彈性模量變化較接近，而且變化范圍較大，L型擠壓時(shí)的變化較小，而且H型和L型的最大彈性模量是B型的1.17倍左右；三種擠壓形式下的屈服強度的順序為L(cháng)型＞B型＞H型，而且L型的屈服強度是H型的1.47倍左右；最大變形的順序為B型＞L型＞H型，而且B型是H型的1.32倍。玉米種子不同面沖擊實(shí)驗得：腹面所能承受的最大沖擊力最大，側面居中，頂面最小[30]。
2.3谷物品質(zhì)性狀與力學(xué)性能
孫戌旺等[17]對小麥籽�？蛊扑榱εc其品質(zhì)性狀關(guān)系研究得出：小麥籽粒的抗破碎力與蛋白質(zhì)含量呈極顯著(zhù)正相關(guān)，與濕面筋和干面筋呈顯著(zhù)正相關(guān)，與淀粉呈負相關(guān)，與其他品質(zhì)性狀的相關(guān)性不明顯。米飯的口感通常與米飯的硬度、彈性及粘度有關(guān)。張洪霞等[31]對米飯的雙面剪切實(shí)驗獲得與米飯口感特性相關(guān)的力學(xué)指標的相關(guān)性：硬度與最大剪切力、破壞能及松弛力分量成正相關(guān)；最大剪切力與松弛力分量成正相關(guān)；剪切破壞能與最大剪切力及松弛力分量成正相關(guān)。張海艷[32]對玉米籽粒品質(zhì)性狀及其相互關(guān)系分析表明：角質(zhì)率與醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白含量呈極顯著(zhù)正相關(guān)，與峰值粘度、膨脹勢呈極顯著(zhù)負相關(guān)；容重與角質(zhì)率、糊化溫度呈極顯著(zhù)正相關(guān)，與各淀粉組分含量呈負相關(guān)；支鏈淀粉與含量與糊化溫度呈正相關(guān)，與其他粘度指標呈負相關(guān)；直鏈淀粉含量與膨脹勢、峰值粘度、最終粘度、峰值時(shí)間和糊化溫度均呈正相關(guān)。王巖等[33]對稻米抗剪切力與其品質(zhì)性狀研究得到：剪切力與蛋白質(zhì)含量呈負相關(guān)，說(shuō)明蛋白質(zhì)在很大程度上影響稻米的硬度，蛋白質(zhì)含量越低，稻米越硬，其食味值越高；與食味值呈顯著(zhù)正相關(guān)，說(shuō)明稻米越硬，其食味值越高。與其他品質(zhì)性狀相關(guān)性不明顯。
3谷物的力學(xué)特性
3.1谷物的力學(xué)-流變學(xué)特性
流變學(xué)是指從應力、應變、溫度和時(shí)間等方面來(lái)研究物體變形和（或）流動(dòng)的物理特性。流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)新分支，主要研究的是物體在外力作用下的變形和流動(dòng)的學(xué)科。大多谷物籽粒及種子都屬于非牛頓流體，研究他們的力學(xué)-流變學(xué)特性，可為設計各種農業(yè)機械提供可靠的理論依據，也可減少谷物在干燥過(guò)程中由于內部熱應力和濕應力而引起的內部裂紋[34]，還可以減少其在收獲、裝運、貯存和加工等環(huán)節的損傷[35]。李國文等[36]通過(guò)研究糯米、玉米等粉料的在線(xiàn)流變特性得出：谷物種類(lèi)不同，其流變特性參數及其曲線(xiàn)有著(zhù)明顯的差異；同一種物料，流變特性由于含水率的變化也隨之變化；反映物料流變特性的重要參數-表觀(guān)粘度（ηa）隨著(zhù)剪切率（γ）的增加而減小。馬小愚等[37]研究了東北地區大豆與小麥籽粒力學(xué)-流變學(xué)性質(zhì)，得到了小麥籽粒擠壓時(shí)幾種主要力學(xué)性質(zhì)，側面擠壓時(shí)彈性常數為324.83～464.23MPa，屈服力為29.61～38.76MPa，破壞力為75.17～139.24MPa；腹面擠壓時(shí)彈性常數為443.63～767.40MPa，屈服力為33.65～36.05MPa，破壞力為99.03～138.84MPa。
3.2谷物的力學(xué)性能指標
谷物的力學(xué)指標有：剪切力、擠壓力、最大應力、強度、彈性模量、屈服強度、破碎力、破碎應力和破碎能等[11，24，38-39]。對不同含水率的同一品種，同一含水率的不同品種，在不同的實(shí)驗位置（腹面、側面、頂面）對其進(jìn)行擠壓和剪切實(shí)驗時(shí)，所受的力不盡相同。小麥籽粒擠壓實(shí)驗[19]，對含水率在9.1%～21.6%范圍內的冬小麥籽粒在3種壓縮型式（B型、H型和L型）下的破碎負載為63.44～154.77N，彈性模量為98.86～206.59MPa，屈服強度為0.8～1.95MPa，最大應變?yōu)?.71%～1.02%；含水率相同時(shí)，破碎負載的順序為B型壓縮時(shí)最大，L型壓縮時(shí)次之，H型壓縮時(shí)最小。小麥剪切實(shí)驗[18]得到：當實(shí)驗剪切速度確定為1mm/min，不同品種間抗剪切力存在顯著(zhù)差異，剪切力值分布在69.14～124.1N之間。大米籽粒壓縮特性實(shí)驗[11]獲得：不同品種大米的破壞能、破壞力差異為極顯著(zhù)，彈性模量差異為顯著(zhù)，而破壞應力差異不明顯；各力學(xué)指標的變化范圍為：彈性模量：257.28～299.74MPa，破壞能：2.48～4.28Nmm，破壞應力：16.41～19.48MPa。糯米剪切實(shí)驗[12]得到：不同品種糯米的剪切力學(xué)指標：硬度、破碎能、破碎力、破碎應力的差異均為極顯著(zhù)；各個(gè)剪切力指標的變化范圍為：硬度：21.54～77.93MPa；破碎能：2.18×10-3～7.74×10-3Nm；破碎力：15.91～33.13N；破碎應力：2.48～6.60MPa。糯米三點(diǎn)彎曲實(shí)驗[21]中得到了破碎力分布特性如圖7所示。由圖7可知，腹面壓縮時(shí)糯米的破碎力平均值為25.39～31.97N；側面壓縮時(shí)破碎力平均值為24.65～28.63N，而且腹部的三點(diǎn)彎曲破碎力分布相對較分散，呈多峰分布，背部三點(diǎn)彎曲破碎力分布相對較集中。Kamst等[40]的研究證明：在同等條件下糙米所能承受的抗壓強度比抗拉強度大，因而使稻米破碎的力為拉應力或彎曲應力。玉米種子抗壓特性實(shí)驗得到[15]，含水率相同的同一品種，最大破裂力在平放時(shí)最大，側放時(shí)次之，立放時(shí)最��；同一種放置方式時(shí)，不同品種玉米種子的壓力各不相同；不同放置方式時(shí)，不同的受壓面生成裂紋的部位、形狀和規律也不同。玉米種子內部裂紋實(shí)驗[35]獲得，玉米種子內部機械裂紋主要發(fā)生在籽粒冠部并向周邊擴展；實(shí)驗中3種玉米種子普遍存在內部機械裂紋，其中長(cháng)裂紋平均損傷率為39.8%，1條長(cháng)裂紋和2條長(cháng)裂紋的損傷率各為12.4%、3條長(cháng)裂紋的損傷率為15.0%。
4結論與展望
由于谷物力學(xué)特性在其收獲、運輸、干燥、儲藏及加工過(guò)程中的重要意義，正越來(lái)越受到研究工作者的廣泛關(guān)注，通過(guò)實(shí)驗、數學(xué)計算和有限元等方法的綜合應用，對谷物的力學(xué)特性有了深入研究，但現有的力學(xué)模型、有限元模型均將谷物視為各向同性材料，且谷物的幾何特征、不同的物質(zhì)成分并沒(méi)有得到準確地反映。分析目前的研究現狀，谷物力學(xué)特性的研究還將朝著(zhù)以下兩個(gè)趨勢發(fā)展：實(shí)驗和數學(xué)分析進(jìn)一步深化，如分析過(guò)程中考慮谷物材料的各項異性特征；借助有限元等先進(jìn)分析方法，建模過(guò)程中更加準確考慮谷物幾何結構特征以及不同組成成分的物理特性，并以實(shí)驗結果對有限元模型進(jìn)行驗證和修正。
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