玉米芯和玉米籽粒果柄的力学性质研究

发布时间：2020-11-04 19:30

　　 脱粒是玉米收获和加工的关键环节之一,玉米脱粒机在我国使用广泛,研究玉米芯及玉米籽粒果柄的力学性质,对提高玉米脱粒机的性能具有重要意义。本文综述了玉米芯和玉米籽粒果柄力学性质的研究现状,采用离散元法研究玉米芯的力学性质,使用课题组编制的软件对玉米芯破碎过程进行仿真,并将仿真结果与试验结果进行对比;同时,以玉米果穗为研究对象,通过微机控制万能试验机对玉米果柄物理力学性质进行试验研究,本文的主要工作和结论如下:(1)提出了玉米芯模型的几何建模方法,即采用球颗粒组合方法模拟玉米芯,在此基础上研究了玉米芯几何建模方法;建立了玉米芯的力学模型及破坏准则,提出连接力学模型与接触力学模型参数的选取办法。(2)对玉米芯轴向压缩过程对比分析,实现了仿真过程中玉米芯破碎,研究了长度和直径与玉米芯力学性质的关系。①玉米芯刚度系数随玉米芯试样长度增大而减小,这一趋势与试验结果一致。②玉米芯试样长度为20mm时,刚度系数的仿真值与试验值相对误差为8.74%,玉米芯试样长度为40mm时,仿真值与试验值相对误差为9.34%,玉米芯试样长度为60mm时,仿真值与试验值相对误差为1.78%,结果表明,本文提出的玉米芯建模方法是有效并且可行的。③研究了玉米芯直径对刚度系数的影响,随着玉米芯直径的增加,玉米芯刚度系数呈现上升趋势,这一趋势与试验结果一致。(3)采用WDW-20万能试验机测试研究,研究了在径向拉伸、径向压缩、轴向剪切和切向剪切方式下,不同品种、不同含水率对玉米籽粒果柄力学性质的影响,研究了施力方式对果柄力学性质的影响。①品种对玉米籽粒果柄的力学性质有影响,不同品种的玉米籽粒果柄的力学性质有所不同。②含水率对玉米籽粒果柄的力学性质有影响,随着含水率的增大,一环和二环的籽粒果柄阻尼力的变化趋势相同;随着含水率的增大,径向拉伸、径向压缩、轴向剪切方式下,籽粒果柄阻尼力先减小后增大,切向剪切方式下籽粒果柄阻尼力一直减小。③施力方式对玉米籽粒果柄的力学性质有影响,同一品种,同一含水率下,径向压缩时果柄的阻尼力最大,其次是径向拉伸时果柄的阻尼力,轴向剪切和切向剪切果柄的阻尼力最小,且轴向剪切和切向剪切下果柄的阻尼力相差不大。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S226.1
【部分图文】：

吉林大学硕士学位论文了玉米果穗的力学性质分析及建模方法，标定了仿真参数，课题组软件实现了玉米模型能够破碎的功能，还验证了课题组仿真软件的有效性，为课题组继续研究玉米粒仿真软件打下良好的基础，对于其它材料破碎过程模拟、阻尼特性的研究也有参价值。1.2 课题的研究现状及存在问题本节主要阐述玉米芯力学性质以及玉米籽粒果柄力学性质的研究现状，在综述究现状之前，介绍一下玉米芯及玉米籽粒果柄，如图 1.1 和1.2 所示，余吉洋[19]将玉果穗脱粒后剩下的果穗轴称为玉米芯，又将连接玉米籽粒与玉米芯的一种结构定义玉米籽粒果柄，本文沿用余吉洋定义的名称。

ㄒ逦?衩鬃蚜９???疚难赜糜嗉?蠖ㄒ宓拿?啤Ｍ?1.1 玉米芯实物图 图 1.2 玉米籽粒与玉米芯连接实物图1.2.1 玉米芯力学性质研究现状有关玉米芯力学性质的研究可以追溯到上世纪 60 年代，随着时间推移，研究人员对玉米芯的力学性质研究逐步深入，国内外研究玉米芯的力学性质的代表有 Anazodo、余吉洋、赵武云、于亚军等，研究人员采用的研究方法不同，比较有代表性的方法是试验法、有限元法和离散元法。1965 年，塞加尔和布朗[20]基于形态学分析研究表明，玉米芯由颖、芯轴、节点和内部节点、内部和外部的输水管系统和柔软的海绵组织的中心组成的复杂结构。由宏观结构看，玉米芯包含颖、芯轴、髓三个部分。玉米芯的剖视图，如图 1.3 所示。

（a）实物图 （b）简化图图 1.3 玉米芯宏观组织的截面剖视图1969 年，Waelti 和 Buchele[21]对长度为 1 英寸（25.4mm）的玉米芯进行径向压缩，得到了玉米芯的最大抗压强度；提出了衡量玉米芯强度的另一指标，即为“刚度”[22]，他将刚度定义为：对单位长度的玉米芯的外表层径向压缩时，试验力与变形曲线的斜率叫做刚度；并测试了温度和含水率对玉米芯力学性质的影响，研究发现，玉米芯刚度是随着温度的增加而增加，随着含水率的增加而减少。1969 年，Johnson[23]等人研究了玉米芯破碎的过程。对玉米芯施加作用力，研究玉米芯破碎过程中表现出来的特征，并将承受径向载荷的玉米芯视为沿其长度方向均匀承受反向力的弹性空心薄圆柱体，然后将玉米芯的径向变形等效于经典工程力学中圆环的挠度问题。1978 年，Brandini 等人[24]应用有限元分析技术分析了穗轴径向压缩变形的问题。他们将玉米芯视为空心的弹性圆柱棒，将玉米芯简化为单一材料（玉米芯由颖、芯轴、髓、节间组织等材料组成）。将玉米芯作为环或空心的弹性圆柱的理论假设，是对玉米芯的复杂结构的简化，通常情况下，玉米芯可视为玉米穗去掉玉米籽粒后所有结构的
【参考文献】

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本文编号：2870508