动态力学特性（共7篇）
动态力学特性 篇1
0 引言
马铃薯的物理特性参数如弹性模量、剪切模量、泊松比等对其收获、运输、贮运、加工处理和品质评价具有十分重要的意义。这些物理参数经常由静态或准静态的试验获得,静态或准静态试验简单,但所需试验时间较长,这将使生物料引起化学和生理的变化,这种变化可能会影响到物料的物理特性;试验所需要的应力、应变都是在短时间内而不是瞬间施加的,这将导致试验结果存在误差。采用动态实验方法能够有效地克服这些缺点。在动态试验中试件的应变是由随时间作周期性变化的应力产生的。若动态试验频率ω,则试验周期为1/ω,这就有可能在非常短的时间内获取大量的实验数据,而物料的物理特性改变极小,试验结果更加准确。为此,本文旨在用正弦交变应力—应变法研究马铃薯的动态力学特性参数,为以后的马铃薯的品质评价、质量控制,自动分级等提供基础资料数据。
1 动态力学原理
物料的动特性指其接受周期性激励后,其相应的应变、应力的变化情况。这一特性属于物料的本身属性,可用动参数来描述。马铃薯属于粘弹性体,其变形对应力是滞后的,而应力总是对变形超前的,它在变形时所接受的能量,一部分以弹性势能贮藏,另一部分以热能的形式散耗。 对给定应变有
ε=ε0sin(ωt) (1)
应力为
undefined
式中undefined—绝对动模量,undefined;
undefined—贮藏模量,undefined;
undefined—损失模量,undefined;
δ—损失角,即应力相对于应变的滞后角。
undefined
则动态模量为Ed=E′sin(ωt)+E″cos(ωt)
tanδ=E″/E′
马铃薯块茎不同于金属,其内部由固、液、气态物质组成。固态物质相当于弹性体,变形后可恢复,气液态物质相当于粘性体,变形后不可完全恢复。动特性参数中的undefined与马铃薯块茎的整体硬度有着很大的相关性,E′与一个周期内马铃薯块茎贮藏能量的大小成正比,其大小对应着刚性体的多少;E″与一个周期内马铃薯块茎损耗能量的大小成正比,其大小对应着粘性体的多少;δ与粘性有关。本文主要研究不同品种马铃薯块茎在不同的预载荷、激振频率、激振幅度下的undefined、E′、E″、δ值及变化规律。
2 试验材料、设备与方法
2.1 试验材料
所用的马铃薯品种为黑龙江省较有代表性的克新13、东农303、黄麻子,所有试验用薯均为收获1个月以内;试验前进行人工挑选,剔除病虫害、受损及形状尺寸异常的马铃薯,然后随机选取进行试验。
2.2 试验设备
试验装置简图,如图1所示。
由信号发生器发出的正弦信号经功率放大器放大,驱动激振器;激振器与加速度传感器相连。为了防止试样松动,在试样上下分别放一个轻质薄片,并在每次试验前加一定的预载荷。试样的上方分别为动、静态力传感器。传感器产生的电荷由动、静态电荷放大器放大以后经数据采集仪进入计算机成为被处理数据,所有的传感器都经过严格的标定。
2.3 试验方法
试验试样为圆柱形直径12.7mm,长20mm。试验时,将试样夹持在加速度传感和动态力传感器之间,由万能试验机控制预载荷的大小,激振器的激振幅度和频率可调。分别改变预载荷、激振频率、振幅进行试验,所得数据进入计算机后用编写的Matlab程序进行分析。由于试验时被施加预载荷的马铃薯的应力要有所松弛,故每次试验都要迅速进行。同一因素、水平的试验进行9次以上,以便对试验结果进行统计处理。
3 试验数据处理
3.1 基于小波多尺度分析的消噪处理
经研究发现:本文试验噪声的频率大约为几千赫兹,而试验信号频率范围仅为40～210Hz,二者互不相干,故可以用多尺度小波分解去噪。消噪时首先对信号进行一维多尺度小波分解,噪声信号多包含在具有较高频率的细节中,然后对所分解的小波系数进行处理,把所有的高频信号系数置为0,只保留低频部分然后对信号进行小波重构。用此方法对信号消噪后信号较平滑。由于原始信号的形式已知,只要选用合适的小波,并进行合适的尺度分解,就不会丢失原始信息。本文所选用的小波为 coif5。coif5是具有一定对称性的正交小波,其支撑长度为29,滤波器长度为30,消失矩为12。经多组试验发现用此小波对原始信号进行4层分解,取低频系数重构信号,效果较为理想。原始信号及消噪后的信号,如图2所示。
3.2 动态力学特性参数的提取
3.2.1 绝对动模量的得出
在实际试验中,对于力曲线,在一个周期内F0=(Fmax-Fmin)/2。其中,Fmax、Fmin分别为波峰值和波谷值。而实际计算时,取消噪信号多个周期内F0进行错点剔除后的平均值,即F0=(F01+F02+…+F0n)/n。其中,n为周期个数;应力的峰值σ0=F/S,S是试样的橫截面积。为了减小误差,试验时不直接采集位移信号而是采集加速度信号。与得出力的峰值类似,可以得出加速度的峰值A,由加速度与位移的关系,位移的峰值可以由D=A/ω2 得出,ω是激振频率。则ε0=D/l,l是接受了预载荷的试样长度。然后,便可得出undefined,将多次试验得出的剔出错点,求平均值得出最后的undefined值。
3.2.2 损失角δ的得出
由于马铃薯是粘弹性体,当给马铃薯施加一应力后,其变形要滞后应力一个角度δ。计算δ时,可以把力、位移分别当作一个向量,δ即是两个向量之间的夹角。设力向量为x,位移向量y,则undefined,即undefined。此处undefined称为x与y的内积,‖x‖、‖y‖称为x、y的范数,δ即为两向量之间的夹角。
3.2.3 贮藏模量、损失模量的得出
已经得出了undefined和δ,便可以计算出贮藏模量E′和E″。
4 试验结果讨论
对动特性参数研究发现:对同一品种而言,绝对动模量随着频率的增加而增加,预载荷对绝对动模量有很大的影响;增大预载荷绝对动模量也会增加,损失角随着频率的增加而降低,表明马铃薯的粘性会随着频率的增加而减小。预载荷对损失角的影响并不明显。图3和图4是在预载荷7N激振器激励电压0.5V时不同品种绝对动模量、损失角同激振频率的关系。
从图3和图4中可以看出在同等条件下,随着频率的改变,不同品种马铃薯的绝对动模量、损失角有明显的差异。东农303的绝对动模量的模较小,说明其较软,这与实际相符。随着频率的增加,每次循环作用时间变短,激振器的振幅变小,各品种恢复变形的能力增大,所以损失角呈下降趋势。但东农303的损失角从170Hz开始增大,说明其粘性开始居主导地位。由于篇幅所限,表1仅给出了黄麻子块茎在预载荷7N,激振器激励幅度0.5V下部分频率的各动特性参数。
5 结论
1)通过动态力学试验得出的不同品种马铃薯在40～210Hz时的undefined在5～21MPa之间,E′在6～20MPa之间,E″在2～4MPa之间,在低频时,与静态实验得出的值相差很小。
2)在信号处理时,用coif5小波进行多尺度消噪处理,效果较好。
3)绝对动摸量随着激振频率的增加而增加,随着预载荷的增加而增加;损失角随着频率的增加而减小。预载荷对损失角影响不大。
4)实验所得出的3个品种的动态力学特性参数undefined、E′、E″、δ有很大的差异,可以通过这种差异进行品种间的识别。
摘要：利用正弦交变应力—应变法对不同品种的马铃薯的动特性参数进行了测量,得出了马铃薯的动态力学特性的基础参数和不同品种马铃薯动特性参数随试验条件不同的变化规律,从而为马铃薯的收获、加工、品质评价、无损检测等提供一定的理论基础。
关键词：马铃薯,振动,动特性,基础参数,小波去噪
参考文献
[1]马小愚,雷得天.农业物料学[M].哈尔滨:东北农业大学出版,1992.
[2]王俊,陆秋君,陈善锋,等.绿云犁的动态特性试验研[J].农业机械学报,2002,33(6):69-79.
[3]王俊,藤斌,周鸣.梨敲击激励后产生的动力学特性研究[J].农业机械学报,2004,35(2):65-69.
[4]闻新,周露,王丹力,等.MATLAB神经网络应用设计[M].北京:科学技术出版社,2001:55-60.
动态力学特性 篇2
直到刚性压力机和伺服机被成功制造出来, 有关岩石峰值后变形特征的研究才开始逐渐发展。在此这之前, 科学家们常以岩石峰值前的变形特征来表示岩石的变形性质, 用岩石变形曲线的峰值代表岩体强度, 而峰值后则认为已经破坏, 岩体失去其承载能力, 而这显然与实际情况不符。实验研究和大量的工程实际都表明, 岩石破坏后, 其残余强度仍具有一定的承载能力, 这对实际工程上的应用有很大意义。
张帆等着重于三峡花岗岩的力学特征的研究, 首先利用杨超等[4]的相关研究所提出的利用主应力圆包络线, 确定岩石的黏聚力和内摩擦角的等效值并拟合相应曲线的方法, 将岩石的屈服破坏过程以的连续的应变软化模型来表征, 建立了应变软化的本构模型[2], 之后又以三峡花岗岩力学特性的的试验结果为基础, 建立了描述三峡花岗岩峰后破坏特征的弹脆塑性本构模型和峰后应变软化本构模型[1], 并且利用MTS试验机对三峡花岗岩试件进行了应力应变全过程曲线的测试, 利用试验数据对峰后岩石的屈服面进行了拟合, 并对此进行了相关参数的分析。结果表明, 在花岗岩的应变软化过程中, c值随着广义塑性应变的增大而逐渐减小, 而 φ 值却几乎保持不变[1]。这项研究三峡地区的隧道开挖与支护、边坡的稳定性分析提供了重要的参数与理论依据。
长沙理工大学的王桂尧等人考虑尺寸效应, 对岩石的峰值后曲线进行了研究, 将工程岩体分为不含裂纹的完整岩体以及含裂纹的断裂区两个部分, 通过大量实验, 将两者的破坏曲线的叠加, 得到了相应工程岩体的荷载—位移曲线, 在两者的载荷相同的情况下, 岩石贮存或释放能量的大小随着位移的增大而增大, 在裂纹与试件尺寸已知的同时, 能够确定岩石在达到峰值荷载时的所储存的弹性势能的大小, 并且可以通过二者的关系, 大致估计岩石断裂的峰值后曲线形状和断裂的稳定性[3]。并以此为基础, 进行了尺寸效应对岩石峰值后曲线的研究, 通过对不同尺寸的岩石强度曲线的分析, 说明了峰值后断裂曲线的形状与试件尺寸有关, 并且试件类型不同, 其影响方式也有所差异。
对岩石变形的全过程曲线的研究, 尤其是对岩石变形的峰值后曲线特征的研究, 是近几十年来科研人员相继探讨的热点问题, 对解决水利、隧道、桥梁、地质灾害等工程设计与开挖的重要理论基础, 同时也为分析边坡稳定与防护、重要工程预警等提供重要参数。但目前对于岩石峰值后曲线的研究较少, 且由于技术、理论研究等的限制, 对于峰值后曲线特征研究并不完善, 使得在工程上得不到有效的利用。
摘要：近年来, 在公路、桥梁、隧道等工程迅速发展的同时, 也伴随着许多由于岩石的破坏而造成的地质灾害, 人们逐渐认识到岩石变形全过程的研究在工程中的重要性, 本文主要总结了前人对岩石特性的研究进展, 同时简述了有关岩石的峰值后曲线特性的研究现状, 为今后工程上应用提供理论基础。
关键词：岩石力学,岩石破坏,稳定性,峰后力学特性
参考文献
[1]张帆.三峡花岗岩力学特性与本构关系研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所, 2007.
[2]张帆, 盛谦.三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27 (1) :2653-2654.
[3]王桂尧, 孙宗颀, 唐前松.岩石断裂稳定性的尺寸效应[J].长沙理工大学学报, 2004, 6, 1 (1) :43-46.
[4]杨超, 崔新明, 徐水平.软岩应变软化数值模型的建立与研究[J].岩土力学, 2002, 23 (6) :695–697.
深部岩体力学特性的问题思考 篇3
随着社会发展、经济建设以及国家安全的新需求,地下空间开发不断走向深部已成为必然趋势。深部岩体由于其结构特点、变形特点、高应力状态的临界特点及其结构与含能特点等,使得其力学特性与浅部岩体相比具有显著不同[1]。近年来,深部岩体力学特性的研究成为岩体力学研究的重要课题。深部岩体的主要特征表现为应力与应变的关系呈非线性,深部工程中所出现的非线性岩石力学问题已成为国内外研究的焦点,正在形成岩石力学新的分支———深部非线性岩体力学[2]。
1 深部岩体力学特性的研究现状
1.1 国内外关于深部的概念界定
目前国内外在“深部”及“深部工程”等一系列概念上差异较大,至今也没有明确的概念和划分标准,在很大程度上影响了深部岩体力学研究的发展和交流。
近年来国内外许多学者对深部及深部工程的科学定义进行了研究。何满潮[3]提出把工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间称为深部,并提出临界深度、上临界深度、下临界深度的概念,建立了深部工程的评价指标体系。钱七虎[4]根据深部岩体工程中出现新的特征科学现象的情况,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程,可以得到深部岩体工程的明确的具体概念。也有人以国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度作为进入深部工程的界限。此外,日本把深井的“临界深度”界定为600 m,英国和波兰定位为750 m,南非和加拿大等采矿业发达的国家,当深度达到800 m～1 000 m才称为深井。
1.2 深部岩体工程中的特征科学现象
随着深部岩体工程的不断发展,在深部围岩中发现了一系列新的特征科学现象,与浅部岩体工程相比具有迥异的特点。宏观上表现为大变形和大变形速率、分区破裂、应变型岩爆等现象(见图1)。
钱七虎[4]将这些新的特征科学现象归纳为两类:静力的和动力的,并对分区破裂化现象和冲击地压动力现象进行了科学解释,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程。俄罗斯科学家在实验室模拟试验中也从模拟中观测到这类分区破裂化现象。文献[5]通过岩体的本构模型和非线性理论对深部岩体中的特征科学现象进行了分析,并提出了岩体随机变形的混沌判别以及失稳的混沌预测预报方法。文献[6]对深部岩体分区破裂化进程的时间效应进行了研究,并利用蠕变理论对分区破裂化现象进行了分析和解释,提出深部高应力状态下产生的岩石分区破裂化现象是岩体经由蠕变产生的。文献[7]介绍了巷道围岩的分区破裂化相似材料的模拟试验,试验发现在离巷道一定距离形成的岩石严重破碎带不是一瞬间才出现的,而是在有应力的巷道岩体掘进中,经过一段时间才出现。
在深部岩体中,岩爆和岩体冲击地压等动力学现象也十分明显,关于岩爆的预测研究和机理分析,国内外众多学者也都作了大量的研究。文献[8]对深部岩体的动力学特性和峰值后的变形特性进行了研究分析,围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象,提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的问题。文献[9]对国内外岩爆预测的研究现状和发展趋势进行了探讨。
目前,深部岩体工程中的特征科学现象用传统的连续介质力学理论无法圆满的解释,已经引起了国际上专家学者的极大关注,成为近几年该领域的研究热点。
1.3 深部岩体工程的力学特点
深部岩体的地质力学特点决定了深部岩体工程与浅部岩体工程的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境,即高地应力、高地温、高水压的复杂力学环境。
研究表明,总体上岩石的强度随深度的增加是有所提高的,但随着岩体工程深度的增加,岩石的破坏机理也随之发生变化,由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏,由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在延性行为力学响应。但也有人认为深部岩体的破坏更多的表现为动态的突然破坏,即岩爆或矿震。
进入深部后,岩石的破坏特征主要表现为持续的强流变大变形和突发性的冲击地压现象。矿山开采中,一般认为优质硬岩不会产生明显的流变,但在深部高地应力条件下有所不同,深部环境下硬岩同样会产生明显的时间效应。在深部高应力环境中,岩石具有很强的时间效应,表现为明显的流变和蠕变,岩石的破坏往往伴随着有较大的塑性变形。目前,岩石流变试验特性主要集中在高温高压条件的实验研究和现场研究方面,由于实验室研究条件与现场实际情况有一定差距,因此实验室成果在进行外推时存在一定困难。
对于岩爆,近年来国内外众多学者针对岩爆的破坏机理和预测防治都作了大量的工作。人们已经从表观上定性的知道岩爆产生机理取决于岩体的强度、岩体中高应力累积及能量积聚,岩爆与采深有关系,即随着开采深度的增加,岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。目前预报岩爆的重要参数就是岩层的位移和运动速率,但预测理论和预测方法都是基于不同的岩爆机理而得出的,由于影响岩爆发生的因素多,机制复杂,每一种预测判据只反映了某个因素对岩爆的影响,预测精度不能令人满意,关于岩爆的机理也需要做进一步研究。
2 关于深部岩体力学试验的思考
深部岩体力学特征的试验研究,必须突出深部岩体的特征,即岩体在高地应力、高温、高孔隙水压的组合作用下,所表现出的岩体力学特性的非线性。有人指出:深部岩体的变形特性主要以峰值后的岩体应力应变曲线特征进行描述,这给深部岩体的本构关系的确定带来了更大的难度。其难度主要表现为:获取应力应变全过程曲线的试验难度;同等应力水平下,应力应变全过程曲线的可重复性差的难度。此外,深部岩体的大变形中所包括的非线性的流变特性,也是试验研究的重要部分。岩体的非线性流变总体上可归纳为应变速率与应力水平、应力和应变状态以及作用的时间有关,非线性的流变特性试验研究的难点,主要表现为两方面:1)应力水平的复杂性,或者说是要研究在复杂的应力应变状态下的流变特性,包括双轴(包括平面应变条件)和三轴压缩应力在不同应力路径下、不同应力应变状态下的流变特性;2)如何真实的表现岩体的非线性流变特性。有关深部岩体非线性流变试验可以分成两大部分:完整岩石和结构面非线性流变试验。由于岩体的非线性流变可以表述为粘滞系数是应变速率、应力水平、应力和应变状态以及作用的时间的函数。由此可知,非线性流变试验的最大特点是:应力水平很高;由于开挖造成作用于岩石的应力发生了变化,即在应力调整的过程中引出了不同应力路径的问题;不可忽略完整岩石和结构面的蠕变特性;极限变形和破坏时间问题;多场(高温或低温、高孔隙水压力、高地应力)的组合作用下的耦合问题等。
3 深部岩体力学今后的研究重点
由于深部岩石力学行为以及深部灾害特征与浅部明显不同,基于浅部工程建立起来的传统理论已经不再适用,针对深部工程中存在的岩石力学问题,今后主要研究方向应该集中在深部岩石力学基本特性、深部岩石强度确定理论、深部工程岩体的本构关系以及参数确定方法等等。此外,深部工程围岩特性以及非线性动态力学设计理论,也是目前岩石力学工作者面临的挑战性问题之一。
参考文献
[1]钱七虎.非线性力学的新进展——深部岩体力学的若干问题[A].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:科学出版社,2004:10-17.
[2]钱七虎.深部地下空间开发中的关键科学问题[A].钱七虎院士论文选集[C].2008.
[3]何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2854-2858.
[4]钱七虎.深部岩体工程响应的特征科学现象及“深部”的界定[J].东华理工学院学报,2004,27(1):1-5.
[5]蒋斌松,蔡美峰,贺永年,等.深部岩体非线性Kelvin蠕变变形的混沌行为[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1862-1867.
[6]李英杰,潘一山,章梦涛.深部岩体分区破裂化进程的时间效应研究[J].中国地质灾害与防治学报,2007,12(4):119-122.
[7]廖美春,郭志昆,刘峰,等.深部岩体分区破裂化模拟试验模型几何尺寸的确定[J].防灾减灾工程学报,2006,26(1):58-62.
[8]王明洋,周泽平,钱七虎.深部岩体的构造和变形与破坏问题[J].岩石力学与工程学报,2006,25(3):448-455.
结球甘蓝物理力学特性研究 篇4
结球甘蓝(Brassica Oleracea L.Var.Capitata L.)是十字花科芸苔属的植物,为甘蓝(Brassica oleracea L.)的变种,由野生甘蓝进化而来,为草本植物,又名卷心菜、洋白菜、疙瘩白、包菜、圆白菜、包心菜以及莲花白等[1,2,3,4]。
甘蓝具有耐寒、抗病、适应性强、易贮耐运、产量高和品质好等特点,现在我国各地普遍栽培,是东北、西北和华北等地区春夏秋季的主要蔬菜之一。近年来,随着国内周年供应需求和出口贸易的增加,甘蓝种植面积呈逐年扩大的趋势,现已达到每年约90 万hm2[5,6,7,8]。
结球甘蓝的基本物理力学参数是其收获机械装备设计与开发的最根本依据,是使收获机械、生产工艺和操作规程达到最佳工作性能、最大生产效率与最优质量的基础。目前,关于结球甘蓝物理特性的研究较少,部分研究主要集中在性状和球重间的关系方面。吉立柱研究了甘蓝几个性状对叶球重的相对重要性[9];方荣等分析了甘蓝主要性状的遗传相关及因子[10];Kaoru kohyAmA等研究了甘蓝叶子的拉抻力[11]。这些研究成果尚不足以为甘蓝收获机器的研发系统提供必要的理论依据。
本研究以东北垄作栽培收获期早熟结球甘蓝为研究对象,通过其基本几何特性参数测定,探索形状分布规律;田间测定结球甘蓝的平均拔取力和最大拔取力;通过根茎的机械物理特性参数试验研究,获得根茎不同部位的剪切强度等机械物理特性参数,为分析结球甘蓝根茎切割过程中应力和应变分布状态、确定切割刀具和切割方式等提供理论依据与基础技术参数;通过以上研究,为结球甘蓝收获机的设计提供理论依据。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验于 2011 年8月13-14日在哈尔滨市香坊区向阳乡石槽村杨洪业屯进行,实验室使用的结球甘蓝也取自该试验地点。为防止甘蓝腐烂或水分流失而影响实验效果,获取甘蓝试样后立即做相关力学性能试验,并测定相应含水率。甘蓝品种为倍绿60,其种植模式为机械起垄,育苗后人工移栽,垄距65cm,垄高12cm,垄顶宽度 40cm,平均株距为42cm。
1.2 试验仪器及装置
试验采用WDW-5 型微机电子式万能试验机(济南试验机厂)、DGG-9070AD 型电热恒温鼓风干燥箱(上海森信试验仪器有限公司)、土壤硬度仪(0~40 mm,0~500kg/cm2)、ACS-30 电子计量秤(华鹰衡器有限公司)、YB 电子天平(上海海康电子仪器厂)、弹簧式拉力计(量程为40kg;精度:0.1kg)、数显式游标卡尺、数码相机、切刀和卷尺等仪器设备。
1.3 试验方法
1.3.1 土壤物理特性的测定
选择土壤含水率、土壤硬度和土壤比重等3个参数为土壤物理特性指标评价[12,13]。3项指标均随机在10处采集10 份土样。土壤含水率采用烘干法,参照NY/T52-1987土壤水分测定法实施;土壤强度采用土壤硬度仪直接测量;土壤比重采用环刀法,计算公式[9]为
式中 dvi—第i份土样的土壤比重(g/cm3);
Mi—第i份土样的湿土质量(g);
V—环刀容积(cm3)
Wi—土壤含水率(%)。
1.3.2 结球甘蓝几何特性的测定
参照甘蓝生物学,结合甘蓝收获机的设计要求[14,15],选择甘蓝总高度、茎高、茎直径、球纵径、球横径、总质量、球质量及开展度(外包叶构成圆的最大直径)等参数作为甘蓝几何特征的评价指标,分别测量每个样本的基本几何特征值,用数理统计方法,分析预测其变化区间及分布规律。将甘蓝球沿纵向和横向最宽处十字切开,测量纵径和横径。甘蓝质量的测量分为总质量(带外包叶和根的质量)和球质量(去除外包叶和根的质量),均采用电子计量秤称重。整株测量时,人工将根须内的土壤去除。甘蓝几何特性测定时术语如图1所示。随机选取50个样本。
Hh—总高 Gb—茎高 Sd—茎直径 Gh—球纵径Hd—球横径 Wd—开展度
1.3.3 甘蓝拔取力的测定
拔取力测定试验是测定整株甘蓝完整地从土壤里拔取出来时需要的力[16,17]。采用4根绳子分别系于甘蓝球茎结合处,每根绳子上挂一个测力计(如图1(b)所示),在竖直方向上保证各个测力计平行,4个测力计同时施加力,直至整株甘蓝从土壤里拔出,读出每个测力计的读数,最终得出结果。随机选取30个样本。
1.3.4 甘蓝根茎含水率的测定
试样含水率测定采用干燥法,参照GB/T 1931-2009规定进行[18]。测定含水率时,甘蓝根茎试样的取样如图2(a)所示。试样取到后立即称量,准确至0.001 g,填入记录表。将试样放入干燥箱内,在(103±2)℃的温度下干燥,8h后进行第1次称量,以后每隔2h称量1次,至最后两次称量之差不超过0.002g时,即认为试样达到全干。然后,将试样从干燥箱内取出放入装有干燥剂的玻璃干燥器中,盖好称量瓶和干燥器盖,待试样冷却至室温后取出称量。
1.3.5 甘蓝根茎不同部位剪切强度的测定
甘蓝剪切试验取样如图2(b)所示。测量试样不同部位的剪切强度[19,20,21,22,23]。将夹具放在试验机上,使夹具压块的中心对准试验机上传感器的中心位置,将试样放置在试验夹具上。试验机以20 mm/min均匀速率加载荷,记录下破坏载荷,如图3所示。
1.刀具 2.试样 3.定位块
随机选取30个样本。剪切强度计算公式为
式中 τ—剪切强度(MPa);
pmax—破坏载荷(N);
D—甘蓝直径(mm)。
2 结果与分析
2.1 土壤物理特性
测定的土壤物理特性结果如表1所示。土壤含水率(24.50±5.02)%,土壤强度(12.35±3.36)kg/cm2,土壤容重(1.19±0.2)g/cm3。试验地土壤结构状况具有代表性。
2.2 甘蓝物理几何特性
甘蓝总高度、茎高、茎直径、球纵径、球横径、总质量、球质量及开展度的测定结果如表2所示。
甘蓝的总高度为[246.8,300.2] mm,变异系数值为0.05;甘蓝的茎高度为[47.6,69.1]mm,变异系数值为0.09;茎直径为[17.8,22.6]mm,变异系数值为0.06;球纵径为[148.8,199.2]mm,变异系数值为0.07;球横径为[133.6,174.8]mm,变异系数值为0.07;总质量为[2.4,3.23]kg,变异系数值为0.07;球质量为[1.32,1.88]kg,变异系数值为0.09;开展度为[491,600]mm,变异系数值为0.05。
从表2各项数值可以看到,该种甘蓝的主要物理特征相对集中,甘蓝收获和加工机械机具的主要结构应根据主要特征值进行相应设计。
2.3 甘蓝拔取力
自然状态土壤条件下,甘蓝被拔出所需拉力测量结果如表3所示。所需拔取力为[103.0,279.0]N。测定过程中发现,根系发达和生长在土壤含水率高的洼处的甘蓝拔取力较大。从数据中可以看出,甘蓝最大拔取力与最小拔取力相差较大。由此可见,甘蓝生长状况、根系发达水平和土壤水分等因素影响甘蓝的拔取力。
2.4 甘蓝根茎水分
测定结果如表4所示。甘蓝根茎的4个不同部位含水率如下;根茎的底部为[79.79,87.11]%,根茎的下部为[75.83,83.31]%,根茎的中部为[84.45,91.45]%,根茎的上部为[87.85,90.89]%。甘蓝根茎不同部位的含水率有比较明显的不同,从底部向上呈逐渐增大趋势。进一步分析可知,底部水分高于下部水分的原因在于底部根茎埋在土壤内,其外表面含水率高于下部根茎。
2.5 剪切强度的分析
甘蓝根茎的剪切力实验主要研究根部不同部位的剪切强度,从而为甘蓝收获机械的切根机构提供设计依据。
甘蓝根茎不同部位剪切强度如表5所示。甘蓝根茎的剪切强度4个不同部位依次为:根茎的上部[5.37×10-2,2.85×10-2]MPa,根茎的中部[2.58×10-2,1.10×10-2]MPa,根茎的下部[1.06,1.78]MPa,根茎的底部[1.25,1.97]MPa。甘蓝根茎的不同部分的剪切强度由上至下呈依次增大的趋势。物料剪切强度与含水率有直接关系[24,25,26],分析甘蓝根茎不同位置的含水率与剪切强度的关系,可知甘蓝根茎的剪切强度随含水率的增大而减小。
3 结论
在土壤含水率(24.50±5.02)%、土壤强度(12.35±3.36)kg/cm2、土壤容重(1.19±0.2)g/cm3条件下,对北方垄作收获期甘蓝的物理学特性进行了研究,得出结论如下:
1)甘蓝总高度、茎高、茎直径、球纵径、球横径、总质量、球重及开展度依次分布范围为[246.8,300.2]mm,[47.6,69.1]mm,[17.8,22.6]mm,[148.8,199.2]mm,[133.6,174.8]mm,[2.4,3.23]kg,[1.32,1.88]kg,[49.1,60.0]cm。
2)甘蓝的拔取力为[103.0,279.0]N,其分布较为分散。
3)甘蓝根茎不同部位的含水率由上至下依次为[79.79,87.11]%,[75.83,83.31]%,[84.45,91.45]%,[87.85,90.89]%。根茎不同部位的剪切强度从上至下依次为[5.37×10-2,2.85×10-2]MPa,[2.58×10-2,1.10×10-2]MPa,[1.06,1.78]MPa,[1.25,1.97]MPa。甘蓝根茎不同部位的剪切强度随含水率的增大而减小。
摘要：在田间和实验室对北方垄作收获期早熟结球甘蓝进行测定,研究其形状参数、拔取力、根部不同部位的含水率以及剪切强度等物理力学特性。对早熟甘蓝的几何特征值进行了统计分析,得出了主要形状特征值的变化区间;通过拉伸试验对收获期甘蓝拔取力进行测试,利用微机控制电子式万能试验机(WDW-5)对甘蓝根茎不同部位剪切强度进行了研究,应用Design-Expert Version 6.0.10软件对数据进行了统计分析。试验结果表明:甘蓝在田间的拔取力为[103.0,279.0]N;甘蓝根茎自上至下含水率呈逐渐减小趋势,分别为[87.85,90.89]%,[84.45,91.45]%,[75.83,83.31]%,[79.79,87.11]%;剪切强度逐渐增大,分别为[5.37×10-2,2.85×10-2]MPa,[2.58×10-2,1.10×10-2]MPa,[1.06,1.78]MPa,[1.25,1.97]MPa。研究结果对结球甘蓝收获机的研发具有重要意义。
甘蔗尾茎力学特性试验 篇5
甘蔗作为我国主要的糖料作物,蔗糖产量占我国食糖总产量的90% 以上,在农业经济中占有重要的地位［1 － 2］; 但目前我国食糖生产成本过高,蔗糖产业的国际竞争力十分低下,主要原因是耗时最长、最艰苦、 占甘蔗生产成本比例最高的甘蔗收获环节基本上还是人工作业,而断尾除叶技术是制约甘蔗收获机械发展的瓶颈［3］。目前,国内设计人员一般仅根据经验估算进行断尾机构的设计研制［4 － 7］,没有结合蔗尾的力学特性进行研究,断尾机构难以达到理想的效果。国外学者通过试验比较了不同品种的甘蔗梢头部的硬度、抗折力、抗折能、破碎力和破碎能与直径尺寸变化的关系,以及青叶叶鞘的抗拉强度,为切梢装置的设计提供依据［8 － 9］。国内研究者对甘蔗茎秆不同部位的抗弯强度、切割力进行了研究［1 0 － 1 2］。甘蔗不同部位力学性能差异很大,研究蔗茎尾部的力学特性,可为甘蔗断尾及加工机械的设计开发、建立虚拟蔗尾模型［1 3］进行断尾动力学仿真及有限元分析提供基础数据。目前,还未见对甘蔗尾部进行拉伸、压缩力学性能试验研究的报导。整茎试验能够有效缩短前期样本准备时间,较准确获得茎秆自然状态下承受外载荷而产生屈服和破坏的力学参数［1 4］。本文采用整茎拉伸、压缩的试验方法测定蔗尾茎秆生长点以下1 ~ 3节的拉伸、压缩强度和拉伸、压缩弹性模量,并进行了相应的分析。
1拉伸试验
1. 1试验设备与方法
试验采用拉压传感器量程为2 500N的WD - E精密型微控电子式万能试验机,配套全数字化GT - M200系列电脑测控系统。试验采用根据甘蔗尾部的性能特点自行设计的专用夹具。
试验材料采自广东省广前糖业发展有限公司前进农场种植的成熟期的粤糖159。由于甘蔗尾梢部分被相互重叠的青叶紧密包裹,生长点以下1 ~ 3节节间长度很短,节间直径变化较大,生长点以下第1节部分相当脆弱。为了测得第1节的拉伸弹性模量和抗拉强度,需要稳固装夹第1节,避免滑移和被夹头夹坏的情况,试样剪去顶部叶片,剥除包裹尾梢部分的叶鞘,保留最顶部包裹生长点以下第1节部分的叶鞘。 试验样本总长160mm,保持所要测试的节位处于中间位置,两端装夹长度分别为60mm,中间40mm为样本标距。
为避免甘蔗尾梢部在夹紧的过程中发生滑移和破坏,试验样本装夹部分周围缠绕橡胶、砂纸,用医用胶布固紧。拉伸速率设定为10mm /min,加载至试样破坏,测量断面的2个方向上的直径,取平均值作为直径。对于样本在夹头根部拉断或在夹头内部破坏的试验结果均不采用。
1. 2试验结果
图1为不同样本甘蔗尾梢部分生长点以下第1 ~ 3节的应力—应变曲线。 由图1可知: 甘蔗尾梢第1节应力与应变呈近似直线关系,随着节位的增大,逐步呈现非线性关系,达到最大载荷后突然断裂,拉断之前产生一定的变形,断面整齐,表现出一定的脆性。 对样本试验曲线,根据最小二乘法原理,对其进行拟合,拟合曲线关系式以最优效果而定,求取蔗茎断裂点之前平均值为该样本的弹性模量。
蔗茎顶端生长点以下1 ~3节的整茎纵向拉伸试验共45个有效试样,试验结果如图2所示。第1、2、3节抗拉强度平均值和标准差分别为1. 44MPa和0. 16MPa、 2. 87MPa和0. 43MPa、4. 72MPa和0. 24MPa; 第1、2、3节拉伸弹性模量平均值和标准差分别为22. 02MPa和2. 32MPa、27. 60MPa和2. 37MPa、37. 09MPa和3. 75 MPa。抗拉强度和拉伸弹性模量都随着节位值的增大而增大,第3节抗拉强度约是第2节的1. 64倍,第2节抗拉强度约是第1节的1. 99倍。
1. 3结果分析
将蔗尾茎秆1 ~ 3各节直径与抗拉强度进行曲线拟合,拟合方程和决定系数如图3所示。拟合结果表明: 蔗尾生长点以下1 ~ 3节茎秆的抗弯强度随直径的增大而减小; 第1、2节直径与抗弯强度呈较强的二次函数负相关关系( 见图3) ,而第3节则呈弱负相关关系。
运用SPSS16. 0软件进行方差分析,结果表明: 显著性水平sig值为0 < 0. 05,表明在95% 的置信区间内,节位对抗拉强度的影响极其显著。这主要是由甘蔗茎秆自身的结构特点决定的,蔗茎的抗拉强度不仅与茎秆内几乎平行于轴向排列的维管束数量、木质化程度有关,还与基本组织内贮藏的糖分( 液体) 以及基本组织与维管束之间结合的紧密程度有关［1 1］。甘蔗进入成熟期后,梢头部的含糖量和含水率之间呈负相关性,相关系数 γ = - 0. 94［1 5］,说明越靠近顶端生长点部位,含水率越高,蔗茎维管束木质化程度越低,基本组织和维管束之间的结合强度越低,抗拉强度越小。
2压缩试验
2. 1试验方法与设备
试验采用与拉伸试验相同的电子式万能试验机, 用平面压头进行试验。试验材料为成熟期的台糖22, 采自广东省广前糖业发展有限公司前进农场。截取甘蔗尾部茎秆生长点以下1 ~ 3节节间部分制作试验样本,由于受限于甘蔗尾梢的节间长度,试样长取20mm,两端磨平,两个端面与轴线垂直。下压头固定不动,上压头以5mm /min的速率缓慢向下加载,达到破坏极限后停止加载,分别测定蔗尾茎秆生长点以下1 ~ 3节的压缩性能。
2. 2试验结果
如图4所示: 试样在压缩载荷作用下随着压应力的增大逐步达到破坏极限,压应力迅速下降,试样被压裂。曲线初期阶段有一小段应力变化不大而应变较大的情况,可认为是压头与试样的逐渐适应过程, 利用曲线计算弹性模量时将这部分数据去除,选取曲线上达到压缩破坏极限点之前的近似直线部分; 根据最小二乘法原理,进行多项式拟合,得出每个试样的弹性模量,取其平均弹性模量。
压缩试验有效试样共65个,试验结果如图5所示。第1、2、3节抗压强度平均值和标准差分别为4. 04 MPa和0. 21MPa、5. 22MPa和0. 30MPa、6. 66MPa和0. 24MPa; 第1、2、3节压缩弹性模量平均值和标准差分别为23. 93MPa和2. 35MPa、25. 37MPa和2. 23MPa、24. 12MPa和1. 59MPa。第3节抗压强度约是第2节的1. 28倍,第2节抗压强度约是第1节的1. 29倍。
运用SPSS16.0软件进行方差分析,结果表明:显著性水平sig值为0<0.05,表明在95%的置信区间内,节位对抗压强度的影响极其显著。将蔗尾生长点以下第1、2、3节茎秆直径与最大压缩载荷进行曲线回归拟合,拟合结果表明幂函数关系具有较好的拟合优度,拟合方程和决定系数如图6所示。蔗尾生长点以下第1、2、3节茎秆直径与最大压缩载荷之间呈幂函数正相关关系。
3结论
1) 蔗尾节位对抗拉、抗压强度的影响极其显著, 抗拉、抗压强度由中部向尾部顶端生长点方向显著减小。
2) 蔗尾生长点以下1 ~ 3节抗拉强度平均值分别为1. 44、2. 87、4. 72MPa; 拉伸弹性模量平均值分别为22. 02、27. 60、37. 09MPa; 各节茎秆直径与抗拉强度呈二次函数正相关关系,随着直径的增大,抗拉强度减小。
卵石土力学强度特性试验研究 篇6
关键词：粗粒土,原位剪切试验,颗粒级配,应力应变特性,强度特性
0 引言
粗粒土抗剪强度指标与粗粒土的物理特性、应力状态、测试方法及强度理论等相关。由于粗粒土具有物质组成的多样性、颗粒结构的不规则性以及试样的难以采集性等固有特征,要确定其强度指标较为困难[1]。目前,粗粒土抗剪强度的研究主要针对: ( 1) 对比分析原位试验、室内大型直剪试验和三轴试验等,分析归纳不同材料力学性质和试验结果[2~4]; ( 2) 通过对试验仪器的改良,探讨新仪器对研究精度的提高作用,以及试验条件的适用性[5,6]; ( 3) 在试验基础上对试验过程进行了有限元数值模拟,分析了计算模型的破坏过程,提出有针对性的本构关系[7,8]。由于受地质条件[9,10]、胶结程度[11]、粒度分布范围及颗粒粒径等因素的影响[12],粗粒土的力学性质表现出明显的非线性。由于粗粒土的原状试样很难获得,粗粒土天然应力状态的强度指标难以通过室内的试验设备检测。野外大尺度原位试验是揭示粗粒土这类非均质复杂地质介质力学特性的一种有效办法。
本文通过粗粒土原位剪切试验研究,从粗粒土抵抗剪切变形机理出发,并结合不同深度粗粒土地层进行了粗粒土料的剪切试验。试验获得了在不同应力状态下粗粒土的剪应力与应变曲线、剪切强度曲线以及相应的抗剪强度参数; 揭示了粗粒土体在推剪状态下的变形与破坏规律,为进一步研究粗粒土这种岩土混合复杂介质的力学特性提供了科学数据。
1 工程地质概况与试验方法
1. 1 试验场地工程地质概况
试验地层分别为:( 1) 全新统卵石层( Q4) ,杂色,泥质微胶结,结构密实,局部夹有薄层或透镜状砂层,该层漂石和卵石含量占50% ~ 65% ,一般粒径3 ~ 7cm,漂石含量较少; 圆砾含量占10%~ 20% ,中粗砂充填。卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、燧石等。级配不良,磨圆度较好、分选性较差; ( 2) 下更新统卵石层( Q1) ,杂色,泥质微胶结,结构密实,局部夹有薄层或透镜状砂层,该层漂石和卵石含量占50%~ 62% ,一般粒径3 ~ 7cm,漂石含量较少; 圆砾含量占10% ~ 25% ; 中粗砂充填。卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等。级配不良,磨圆度较好、分选性较差。
1. 2 试验方法
卵石土抗剪强度试验采用平推直剪法( 见图1) ,即剪切荷载平行于剪切面施加的方法: 在每组的4 个试样上分别施加不同的竖直荷载,等变形稳定开始施加水平荷载,水平荷载的施加按照预估最大剪切荷载的8% ~ 10% 分级均匀等量施加,当所加荷载引起的水平变形为前一级荷载引起变形的1. 5 倍以上时,减荷按4% ~ 5% 施加,直至试验结束。在全部剪切过程中,垂直荷载应始终保持为常数。加力系统采用油泵( 装有压力表) 和千斤顶,位移用百分表测量。通过加力系统压力表和安装在试样上的测表分别记录相应的应力和位移,图2 为原位剪切试验布置图。
1. 3 试验过程
( 1) 试样制备: 开挖加工新鲜试样,试样尺寸为50cm × 50cm × 30cm,其上浇注规格为60cm ×60cm × 35cm的加筋混凝土保护套。同一组试样的地质条件应尽量一致。
( 2) 仪器安装及试验: 首先安装垂直加荷系统,之后安装水平加荷系统,最后布置安装测量系统。检查各系统安装妥当即可开始试验,记录各个阶段的应力及位移量。
( 3) 试验成果整理: 试验完成后根据剪应力及剪应变 ε 绘制 τ- ε 曲线,再根据曲线确定抗剪试验的比例极限( 直线段) 、屈服极限( 屈服值) 、峰值,然后分别按照各点的正应力 σ 绘制各阶段的 τ-σ 曲线,最后由库伦公式确定出土体抗剪过程中各阶段的内摩擦系数f及黏聚力c:
2 试验结果
2. 1 应力应变特性
对卵石土进行了不同深度原位剪切试验,试验剪应力—剪切位移曲线如图3 所示。从图3 中可以看出,随着试验深度的增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小。这是由于土体发生破坏前所能产生位移的空间随深度增加而减小,即随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加。由此推断出,卵石土随着深度增加,更易发生塑性变形破坏。图3 曲线显示,卵石土的剪应力随剪切位移增加而增加,但增加速率越来越慢,最后逼近一渐近线。在塑性理论中,试验卵石土的应力—应变曲线属于位移硬化型。由于卵石土在沉积过程中,长宽比大于1 的片状、棒状颗粒在重力作用下倾向于水平方向排列而处于稳定的状态; 另外,在随后的固结过程中,竖向的上覆土体重力产生的竖向应力与水平土压力产生的水平应力大小是不等的。在试验中,体应变只能是由剪应力引起的,由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化,使其排列发生变化而使颗粒间的孔隙加大,从而发生了剪胀。而平均主应力增量 Δp在加载过程中总是正的,土颗粒趋于恢复到原来的最小能量的水平状态,剪切过程中剪应力要克服卵石土的原始状态,在达到峰值强度后,剪应力未发生随应变增加而下降的现象。
2. 2 抗剪强度特性
卵石土是卵砾石等粗颗粒作为骨架、细颗粒填充其中的堆积体,当其受到剪切应力的时候,卵砾石沿着剪应力的方向相互挤压、错动,在剪应力达到一定程度时,其原有土体结构遭到破坏。图4 为三组卵石土剪切试验 τ- σ 曲线,通过曲线可以获得三组试验的砂卵砾的抗剪强度参数,见表1。
一般散体材料都有一定的黏结性,由于土体表观黏聚力,即由吸附强度或土颗粒之间的咬合作用形成的不稳定黏聚力,本身就具有一个初始的剪切应力0τ[13~14]。在理想的散体材料中,0τ等于0时,抗剪角等于内摩擦角。在一般土体中,根据具有黏结性的散体材料应力图,可以求得初始剪切应力0τ。
式中: h0为材料垂直壁的最大高度,反映材料黏性ρ 为堆积密度; φ 为摩擦角; f为抗剪系数。
表1 中的数据显示,公式( 2) 计算出的0τ明显小于由图解法得到的土体表现黏聚力c值,且试验深度在4. 0m和14. 5m时,明显小于c值。假定卵石土中含的黏粒、含水率一定时,土体中的黏聚力变化不大,当卵石土离地面越近,密实度越小,颗粒的接触面积相对较小,其表观黏聚力中由咬合作用形成的不稳定黏聚力占得比例较大; 当土层深度较大时,密实度越大,颗粒的接触面积相对较大,但颗粒咬合得更加紧密,其表观黏聚力中由咬合作用形成的不稳定黏聚力也会占的比例较大。这表明在抗剪切强度参数中咬合力在卵石土松散和密实两个情况下对表观黏聚力影响较大。影响抗剪强度的因素取决于颗粒之间的内摩擦阻力和黏聚力。对于卵石土等粗粒土的黏聚力问题,一般认为颗粒间无黏结力。但由于因颗粒大小相差悬殊,充填中颗粒间相互咬合嵌挂,在剪切过程中外力既要克服摩擦力做功,又要克服颗粒间相互咬合嵌挂作用做功,所以无黏性粗粒土在剪切过程中存在有咬合力。
3 理论分析
卵石土实际上是一种非典型的 “混合土”,即卵石土中粒径小于0. 075mm颗粒含量小于25% ,但其是部分中间粒径缺乏的土。作为类混合土,其岩土试验方法及力学参数取值是土力学和工程领域中的一个重要问题[1,3,7,9]。
3. 1 粗粒土与细粒土孔隙结构的理想模式
粗粒土有其不同于细粒土的结构特征: 粗粒径的卵、砾石形成骨架,细粒径的砂和粉粒、黏粒充填在粗粒孔隙中,形成基质。卵、砾石和砂主要提供摩擦力; 粉粒、黏粒主要提供黏聚力,摩擦力很小。两种粒径范围不同的颗粒混合时,细颗粒充填在粗颗粒孔隙之中[15]。
图5 为不同含量粗粒土与细粒土孔隙结构的理想模式图。当混合土完全由粗粒组成时,颗粒直接接触,颗粒之间为空气孔隙( 见图5 ( a) ) ,此时混合土的抗剪强度为粗粒土颗粒的摩擦强度。当细粒土含量达到某一临界值时,细粒土全部充填在粗粒土颗粒之间的大孔隙中,粗粒土颗粒处于准接触状态,接触点上存在局部细粒土膜,该土膜得到强烈压实( 见图5 ( b) ) ,此时,混合物的抗剪强度受到粗粒土和细粒土的共同控制。继续增大细粒土含量,细粒土会占据粗粒土颗粒接触点之间的空间,粗粒土颗粒将彼此膨胀分离,处于 “悬浮”状态( 见图5 ( c) ) ,此时混合物的强度主要由细粒土控制,粗粒土颗粒间因为不接触,几乎不提供摩擦力。
3. 2 粗颗粒含量对混合土强度的影响
已有的抗剪强度试验结果表明,混合土强度控制因素变化不是一个阈值,而是一个区间,如表2。粗颗粒含量对混合土强度的影响反映了混合土结构形式对强度指标的影响,随着粗颗粒含量的增长,混合土的结构从典型的悬浮密实结构逐步转变为骨架密实结构,并最终变为骨架孔隙结构。不同结构形式的混合土强度存在明显的差异。许多学者的研究指出,在同等条件下,强度指标随大粒径颗粒所占的比例增大而增大。当粗粒含量小于30% 时,混合土处于图5 ( c) 的悬浮密实结构状态,即使有少量的大颗粒,对强度指标的影响也不大; 当粗粒含量在30% ~ 70% 时,混合土处于图5 ( b) 骨架密实结构,混合土的强度指标随大颗粒含量增长而增长; 当粗粒含量大于70% 时,混合土的抗剪强度主要由粗颗粒的摩擦强度提供。
4 结论
本次试验对不同深度分布的卵石土进行了原位剪切试验,研究结论如下:
( 1) 随着深度增加,土体的孔隙减小,密实度增加,卵石土发生屈服破坏时,剪切位移逐渐减小。因此,随着深度增加,卵石土更易发生塑性变形破坏。
( 2) 泥质微胶结卵石土剪切破坏后,其残余抗剪强度没有明显衰弱,应力应变曲线属于应变硬化型。
( 3) 卵石土由于颗粒大小相差悬殊,咬合力在卵石土松散和密实两个情况下对表观黏聚力影响较大。
秧草茎秆力学特性实验研究 篇7
三叶菜, 学名黄花苜蓿, 俗名秧草, 又称草头, 茎匍匐或半直立, 属一到二年生草本植物, 每棵秧草有3～6个分枝数, 每个分枝数上有3片叶子, 所以称为三叶菜。但由于三叶菜茎枝收获后能迅速再生出大量新茎, 每个生长季节内可收割达10余次;人工收获劳动强度大、效率低, 迫切需要开发适合秧草收获的机械装置。
切割是收获秧草的主要方法, 切割力大小的研究对秧草的收获有着很重要的作用[1,2], 目前在稻草、牧草方面国内外主要进行茎秆力学特性研究, 采用电子万能材料试验机, 而在蔬菜收获方面还缺少系统的研究。
1 材料与方法
1.1 实验材料
实验秧草来自扬中市秧草种植试验示范基地, 选取30棵秧草, 要求秧草成熟, 叶表面浓绿色, 无病虫害。在选材过程中尽量避免将茎秆机械损伤, 将秧草根部分离土壤后称重, 记录每棵秧草的分枝数, 然后摘取每个分枝测量秧草分枝茎秆的长度[3]。
1.2 主要设备
TA-XT2i是英国Stable Micro Systems公司生产的新型质地物性测试仪, 具有较好的通用性能。目前, TA-XT2i 质地分析仪以及其相关系列已广泛应用于药品、粘性材料、粉末产品、食品以及化妆品等质地测定中。物性测定仪的组成, 如图1所示。
TA-XT2i质地分析仪主要包括测试主机、操控台、备用探头和附件以及其质地仪相配套的专用软件。质地仪的主机由底座、裹着黑色保护套的测试臂支架及与之连接的测试臂组成。底座内安装有完成测试动作的动力传动和控制装置-精密电机, 测试臂前端装有力感应元件, 可准确测量到探头的受力情况。质地仪备用的探头很多, 可以根据测试样品形状以及所进行的测试项目来具体选用, 主要性能参数:
最大力/kg:5 (TA-XT2i/5) ;25 (TA-XT2i)
解析度/g:0.1 (TA-XT2i/5) ;1 (TA-XT2i/25)
精度/%:0.025
移动速度/mm·s-1:0.1～10
速度精度/%:0.1
移动距离/mm:0.1～524
移动解析/mm:0.002 5
循环次数:1～30 000
延迟时间/s:0.1～ 999 999
数据采集速率/Hz:500
操作环境温度/℃:0～40
外形尺寸/mm:930 × 475 × 320
质量/kg: 30
1.3 茎秆拉伸实验
实验选取A/TG探头, 实验中A/TG探头为内面胶有胶垫的上下夹头, 能够防止茎秆在夹紧过程中被夹头夹断或拉伸时被加载的载荷拉出、脱落而导致实验失败。将秧草茎秆两端装夹到仪器上下夹头中间位置, 使茎秆和水平面保持垂直。然后进入Texture Expert软件界面, 打开图形窗口 (Graph Window) , 从T.A.Settings 界面中设置测试模型和运行程序。
测试模式:拉伸过程中测试受力 (Measure Force in Tension) 。测试参数的设置包括测前速率、测试速率、测后速率、 拉伸的位移, 曲线的记录方式选用Target, 测试条件设置好后进入Run a Test界面。力传感器将信号输至数据采集卡和计算机, 获得力与拉伸位移或者力与测试时间之间的关系, 并在图形窗口 (如图2 所示) 输出F-T (或σ-ε) 曲线, 通过测试曲线可以分析被测物料的各种特性参数[4]。
试验过程速度不宜过大, 否则试验数据会出现较大偏差[6], 本试验以0.5 mm/s的试验速度对试样施加拉应力。探头拉伸计数距离为10mm, 随载荷增加, 载荷由力载荷传感器传递, 可测出茎秆被拉断时最大抗拉力。当断裂处不在茎秆两端并处于根部上方3cm到5cm处时, 抗拉试验成功并记录数据。
1.4 茎秆剪切实验
剪切实验使用A/WEG探头一套, 分上下刀头, 上刀头在按下启动按钮后开始向下移动, 下刀头固定。同样进入Texture Expert软件界面, 打开图形窗口 (Graph Window) , 从T.A.Settings 界面中设置测试模型和运行程序。测试模式:压缩过程中测试受力 (Measure Force in Compression) ;设置好测试条件, 点击OK按钮开始运行程序。
上刀头在切到茎秆过程中不断受力, 载荷由载荷传感器传递, 可测出茎秆刚切入茎壁的剪切力和被切断时最大剪切力。以0.5 mm/s的试验速度加载, 切断时则剪切实验成功。在茎秆切断以后, 上刀头与下刀头相接触并受力。所以, 在实验后需找出实验曲线中茎秆被切断时受力明显下降的点的受力数据, 此点的数据为茎秆的最大抗剪切力。剪切实验输出图形界面, 如图3所示。
2 结果与分析
2.1 秧草质量、分枝数及茎秆的高度
去除秧草质量最大值和最小值, 质量为0.463～1.671g不等, 每棵秧草的平均质量为0.897g。其中每棵秧草中达到留茬高度即3～5cm以上的分枝数为2～6不等, 3个分枝的秧草居多。秧草茎秆的高度从根部以上开始测量, 高度也由6.5～12.2cm不等, 平均高度为8.69cm。
2.2 秧草茎秆抗拉强度与直径关系
在对秧草茎秆试样进行拉伸实验中, 选取成功实验数据并记录, 将试验结果进行统计分析 (如表1和图4所示) 。由表1得出不同直径秧草茎秆的抗拉强度不同。由表1可得秧草茎秆平均高度8.79cm, 平均直径0.951mm, 平均拉断力为2.506N, 平均拉应力为3.737MPa。
2.3 秧草茎秆剪切强度与剪切方式、直径关系
实验对上述秧草茎秆试样进行了剪切测试, 选取了一批试验结果如表2所示, 并且得到每棵秧草的最大剪切力和最大剪应力统计分析 (如图5所示) 可以得到秧草收割处茎秆的平均直径0.946 mm, 平均剪切力 3.125N, 抗剪切强度5.1MPa。但是影响秧草茎秆切割力因素很多, 如茎秆纤维素的结构及排列方式、收割机刀片的几何参数、收割机刀片往复运动速度和收割机前进速度等[6,7]。
3 结论与讨论
1) 秧草质量的测量可以为秧草收割机选择合理的气动式收获风机功率提供了基础资料。
2) 秧草茎秆抗拉强度均与直径呈反比关系, 随着直径的增大, 抗拉强度减小。
3) 秧草茎秆剪切力均随着直径的增大, 有增大的趋势:直径越粗, 剪切力越大。秧草茎秆抗剪切强度均随着直径的增大, 有减小趋势:直径越细, 抗剪切强度越大。
参考文献
[1]刘庆庭, 区颖刚, 卿上乐, 等.农作物茎秆的力学特性研究进展[J].农业机械学报, 2007, 38 (7) :173-176.
[2]高梦祥, 郭康权, 杨中平.玉米秸秆的力学特性测试研究[J].农业机械学报, 2003, 34 (4) :47-49.
[3]赵春花, 张锋伟, 曹致中.豆禾牧草茎秆的力学特性试验.农业工程学报, 2009, 25 (9) :123-125.
[4]陈树人, 姜丽萍.成熟番茄力学特性实验研究[C]//中国农业工程学会2007年学术年会论文集, 2007.
[5]马洪顺, 张忠君, 曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验研究[J].农业工程学报, 2004, 20 (5) :74-75.
[6]Bischetti G B, Chiaradia E A, Simonato T, et al.Rootstrengthand root area of forest species in Lombardy[J].Plant Soil, 2006, 278:12-21.