植物茎秆力学特性研究综述

摘 要：从压缩、剪切、弯曲等不同力学试验类型入手，对目前农作物茎秆力学性能研究进程进行探究，在今后研究中，应注重试验方法的探究，不断加大对农作物茎秆力学性能研究力度，建立植物茎秆力学模型，注重实现茎秆力学特性测定的标准化。

关键词：农作物；茎秆；力学实验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.208

0 引言

隨着科技的发展，农作物机械化生产已经成为一种趋势，通过力学实验获取农作物茎秆的力学参数，为农业机械设备的研制提供理论支撑。李玉道等[1]通过对不同含水率、不同时期内棉花茎秆剪切强度与剪切功的变化规律探进行探究，获取了棉花茎秆收获的最佳时期，晏科满等[2]通过对苎麻茎秆的冲击断裂能进行探究，得知冲击断裂能在茎秆下部达到最大值，为后期苎麻茎秆分离机械的研制提供理论支撑。陈燕等[3]指出峰值切割力和切割强度与刀片切割速度以及切割角度存在密切关系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小。为后期荔枝采摘机器人切割机构的优化设计提供了理论依据。薛忠等[4]通过对木薯茎秆力学性能进行探究，获取了木薯茎杆轴向以及径向力学性能的变化规律，为后期设计木薯收获机械提供理论支撑；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型电子万能试验机对甘蔗叶鞘力学性能进行探究。获取叶鞘最大纵向抗拉强度、最大横向抗拉强度和最大剪切强度等力学参数，并给出了甘蔗叶鞘破坏准则，提出合理有效的甘蔗叶鞘破坏形式，研制出甘蔗叶鞘剥离机械，剥叶效果良好。

1 力学实验的研究进展

1.1 压缩实验

压缩实验对于农作物机械化收割过程中降低作物破损率和研究农作物的抗倒伏性能具有重要意义。目前，在对植物茎秆进行压缩性能探究时，主要分为不同方向压缩实验和不同部位压缩实验两种形式。

1.1.1 不同方向的压缩实验

薛忠等[6]和杨望[7]分别对木薯做了轴向和径向的压缩实验，得知茎秆轴向抗压强度大于径向；吴良军等[8]在荔枝树枝压缩性能试验探究中得知，荔枝树枝顺纹抗压强度明显高于横纹抗压强度。陈燕等[9]通过对荔枝整果压缩性能进行试验探究，得出水平方向所能承受的压力和变形均低于垂直方向。

1.1.2 不同部位压缩实验

茎秆不同部位材料的木质化程度、直径、含水率不同，导致力学性能存在差异。王伟等[10]通过对不同部位木薯茎秆进行压缩试验得知：生长部位对木薯轴向压缩性能有极显著影响，对木薯茎秆径向力学性能无显著影响；何晓丽等[11]研究发现，大豆茎秆的最大承载能力随着高度的增加而不断的减少，抗压强度沿高度变化趋势总体不大。杜先军[12]等通过顺纹压缩实验，得知棉花茎秆底部压缩功最大。Heidari 等[13]研究发现，百合属茎秆上部单位压缩能量和压缩强度最小，茎秆底部最大。

通过对茎秆轴向和径向，顺纹和横纹进行压缩试验，可为后期茎秆采摘装置的设计，本构关系建立以及动力学仿真提供依据。而通过对茎秆不同部位力学性能的研究，对于茎秆整体力学性能的探究将起到积极的促进作用。

1.2 剪切试验

农作物的机械化采摘一般通过茎秆的剪切实现。剪切实验的建立对于农作物在收割过程中剪切功的降低具有重要的意义，目前双面剪切和单面剪切是两种较为常用的剪切实验形式。

1.2.1 双面剪切实验

作物茎秆剪切特性受成熟期、茎秆直径、品种、含水率和微观结构等多种因素的影响[14]。李玉道等[1]通过对棉花秸秆剪切实验发现，含水率是引起棉花秸秆剪切强度变化的重要因素。薛忠等[6]对木薯茎秆不同部位、不同方向的力学性能进行探究，指出木薯茎秆同一部位轴向剪切强度值明显低于径向剪切强度值；木薯茎秆同一方向下部剪切强度值高于中部与上部；王军等[15]在豌豆茎秆力学性能探究中得知茎秆抗剪强度较强的部位为茎秆中部。吴良军等[16]通过对龙眼树枝进行切割实验，得出在切割力最小时，切割速度 、切割间隙 、动刀刃角的具体数值。李小城等[17]通过对不同品种小麦茎秆进行剪切试验，探究出小麦茎秆受剪切载荷时力值变化趋势。

1.2.2 单面剪切实验

Johnson等[18]通过对奇岗茎秆的剪切性能进行研究，发现60°斜角时单位剪切能较低。邓玲黎等[19]通过自制的圆盘式玉米茎秆切割试验台，对影响切割过程的切割角度以及切割速度等参数进行调节，通过单因素和组合设计试验，探寻了最优的切割组合。赵春花等[20]通过对不同品种豆禾牧草进行砍切、斜切、滑切等探究性试验，得出切割速度一定时，砍切的切割阻力高于斜切。为后期牧草收获机械的设计提供了理论支撑。

在对植物茎秆剪切性能的分析量化层面，双面剪切优于单面剪切，但是通过对植物茎秆进行单面剪切力学试验，可以根据茎秆实际的受力情况，对现有的切割形式、刀具形式进行优化。

1.3 弯曲试验

弯曲试验包含三点弯曲与四点弯曲。三点弯曲有一个加载点，加载方式简单，但弯矩分布不均匀。四点弯曲实验与三点弯曲实验相比，结果较为准确，但是存在两个加载点，装夹复杂。

1.3.1 三点弯曲试验

姚珺等[21]通过对不同品种芒草茎秆弯曲性能进行探究，指出在收割机械研制的进程中，应以湘杂芒 2 号第 1 茎秆部位的最大应力平均值作为设计参数。杨望[7]通过对木薯块根、茎秆进行弯曲试验，测定了抗弯强度、弹性模量等力学特性参数；李小城等[22]通过对不同部位小麦茎秆弯曲性能进行探究，指出小麦茎秆抗弯刚度与加载速率、茎秆含水率等因素间存在密切联系。刘兆朋[23]等通过对苎麻茎秆进行三点弯曲力试验，获取了茎秆剪切模量数值。

1.3.2 四点弯曲试验

Obataya 等[24]通过对楠竹弯曲性能进行探究，获得楠竹柔韧性是由于内层木质部能允许较大压缩变形与外层竹纤维能承受拉应力的共同作用。胡婷等[25-26]通过四点弯曲试验，获得小麦茎秆弯曲强度等力学参数。罗燕等[27]通过对小麦茎秆力学性能进行探究，指出外径、壁厚、机械组织厚、维管束等在小麦不同生长时期，对小麦茎秆抗倒伏能力的影响效果不同；孙露露等[28]在玉米茎秆力学试验中指出，在对不同样本纵向弹性模量的差异进行分析时，通常采用四点弯曲实验。

2 结论

（1）目前在对茎秆的力学性能进行研究时，主要仍以工程材料中的力学参数为主，由于茎秆材料自身的特殊性，其自身的材料特性并不能得到良好的反映。

（2）在对茎秆力学性能进行探究时，试验方法、试样处理方式等还缺乏有效的参考依据，对实验数据的准确性造成不利影响。因此后期应注重试验方法的研究，逐渐实现茎秆力学测定的分类标准化。

（3）目前，茎秆力学实验的测定仍以基本力学参数测定为主，需进一步对茎秆材料的结构特征进行深入研究，更好的满足建立茎秆材料力学模型以及仿真量化计算的需要，以便于后期运用仿真技术减少农作物收获机械研发周期。

参考文献：

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基金项目：国家自然科学基金项目（51565007）；广西科技大学研究生教育创新计划项目（GKYC201705）

作者简介：齐勇落（1992-），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：机械设计制造及其自动化。

为通讯作者