常溫下稻米濕應(yīng)力場(chǎng)物理參數(shù)及裂紋機(jī)理的試驗(yàn)研究.pdf

1、稻米是我國(guó)主要的糧食作物，稻米品質(zhì)的高低直接影響到人們的生活質(zhì)量。稻米籽粒在成熟、收割、脫粒、干燥、貯存、加工等過(guò)程中會(huì)存在各種機(jī)械損傷，關(guān)于干燥過(guò)程應(yīng)力裂紋已有許多研究。但在常溫下也經(jīng)常出現(xiàn)由于貯藏環(huán)境溫度或濕度控制的不適，谷粒吸濕或解濕，產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，降低產(chǎn)品等級(jí)，造成經(jīng)濟(jì)損失，而這方面的研究報(bào)道很少，所建立的基本方程中許多參數(shù)在國(guó)內(nèi)還很少被研究過(guò)，本文研究稻米籽粒濕應(yīng)力場(chǎng)的主要物理特性參數(shù)及濕應(yīng)力裂紋機(jī)理，掌握稻米籽粒水分傳遞的規(guī)

2、律與籽粒材料本身機(jī)械強(qiáng)度、變形、裂紋等之間的關(guān)系，對(duì)稻米產(chǎn)品的質(zhì)量控制、減少濕應(yīng)力損傷，提高產(chǎn)品品質(zhì)，有重要的意義。 研究、采用了合適的鹽溶液及不同濃度的酸溶液調(diào)節(jié)稻米含水率、制取不同含水率稻米試樣的方法；研制了測(cè)量稻米材料機(jī)械物理特性時(shí)使用的保溫保濕箱、適用于稻米試件使用的拉伸和彎曲試驗(yàn)裝置；配置了暗箱、CCD攝像機(jī)、豎直與水平攝像裝置及計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)等；進(jìn)行稻米機(jī)械物理特性和水分傳遞特性的各種預(yù)備試驗(yàn)，得到：稻米的抗拉強(qiáng)

3、度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度而拉壓時(shí)的彈性模量、泊松比相差不大，稻米籽粒的拉伸試驗(yàn)難度極大，成功率很低，可以用籽粒的彎曲試驗(yàn)代替拉伸試驗(yàn)研究籽粒材料的拉伸特性；探討試驗(yàn)研究方法及其可行性，制定了合理的稻米濕應(yīng)力場(chǎng)試驗(yàn)研究方案。 進(jìn)行了4個(gè)品種稻米等截面柱形試件的單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)，獲得了壓縮和拉伸時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，強(qiáng)度極限、彈性模量和泊松比等物理參數(shù)，及其各指標(biāo)隨含水率變化的的趨勢(shì)；稻米的強(qiáng)度極限、彈性模量和泊松比，隨含水率的增加而減

4、小。 進(jìn)行了完整稻米籽粒的彎曲試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)4個(gè)品種稻米的彎曲試驗(yàn)，分別獲得了稻米籽粒在彎曲時(shí)的抗拉強(qiáng)度極限和彈性模量，建立了稻米含水率與彎曲特性指標(biāo)之間的關(guān)系。 試驗(yàn)研究得到：相同品種、相同含水率下稻米籽粒的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于稻米籽粒的抗拉強(qiáng)度，而兩種試驗(yàn)方法得到的稻米的彈性模量和泊松比數(shù)值相近，說(shuō)明當(dāng)?shù)久滋幵谖鼭窕蚪馕沫h(huán)境時(shí)，稻米籽粒內(nèi)部形成“內(nèi)拉外壓”或“內(nèi)壓外拉”的受力狀態(tài)，無(wú)論是什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，稻米濕應(yīng)力裂紋都

5、是由于籽粒內(nèi)拉伸應(yīng)力達(dá)到了籽粒的抗拉強(qiáng)度極限而發(fā)生的。 研制了稻米籽粒濕線(xiàn)膨脹系數(shù)試驗(yàn)裝置，采用圖像分析技術(shù)對(duì)稻米籽粒濕線(xiàn)膨脹系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得4個(gè)品種稻米在不同含水率范圍內(nèi)的濕線(xiàn)膨脹系數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)稻米籽粒長(zhǎng)方向濕線(xiàn)膨脹系數(shù)數(shù)值要大于寬方向。在相同含水率變化下，稻米籽粒在長(zhǎng)方向的膨脹量會(huì)大于寬方向，所以稻米籽粒發(fā)生斷裂時(shí)，裂紋的產(chǎn)生都是垂直于長(zhǎng)方向發(fā)生的。 利用動(dòng)態(tài)圖像分析的方法，觀(guān)察稻米籽粒在吸濕或解吸過(guò)程，獲得

6、稻米籽粒在開(kāi)裂前，稻米含水率-吸濕時(shí)間-外形尺寸三者之間的關(guān)系，得出稻米籽粒水分?jǐn)U散系數(shù)及其與吸濕時(shí)間的關(guān)系，并且估算出在任意時(shí)刻，稻米籽粒的表層含水率、吸濕深度和籽粒內(nèi)部的水分梯度；建立不同環(huán)境相對(duì)濕度下，籽粒的安全貯藏含水率范圍，為稻米的貯藏提供參考數(shù)據(jù)。 將稻米機(jī)械物理特性與水分傳遞特性試驗(yàn)研究結(jié)果相結(jié)合，探討常溫下稻米籽粒濕應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，分別作了稻米籽粒內(nèi)濕度場(chǎng)的理論分析及三角形單元的有限元分析，采用試驗(yàn)所獲得的彈

7、性模量、泊松比、濕線(xiàn)膨脹系數(shù)、水分?jǐn)U散系數(shù)等稻米籽粒材料濕應(yīng)力場(chǎng)的物理參數(shù)為實(shí)常數(shù)、并建立橢球形稻米籽粒有限元實(shí)體模型、以環(huán)境濕度及稻米初始含水率為邊界條件、初始條件，采用ANSYS大型通用有限元分析軟件，進(jìn)行了稻米籽粒濕度場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬分析，并將濕度場(chǎng)的有限元模擬結(jié)果作為濕度載荷施加到有限元橢球模型上，進(jìn)行稻米籽粒的濕應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬，獲得了與稻米應(yīng)力裂紋動(dòng)態(tài)產(chǎn)生觀(guān)察位置相近的結(jié)果，給出了稻米籽粒在吸濕時(shí)籽粒內(nèi)部的濕應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)

8、的分布情況。預(yù)測(cè)濕應(yīng)力裂紋的發(fā)生、發(fā)展：吸濕時(shí)拉應(yīng)力集中位置在籽粒的橫截面中部，預(yù)示濕應(yīng)力裂紋將從心部發(fā)生并沿橫截面徑向發(fā)展，最終將會(huì)形成沿橫方向的斷裂，本研究為稻米籽粒在常溫下的濕應(yīng)力裂紋機(jī)理研究提供了新的理論、方法及需要的物理參數(shù)等重要信息。本文在研究方法上多次應(yīng)用了圖像處理、小波分析等現(xiàn)代科技;自行研制了多種試驗(yàn)裝置，解決稻米機(jī)械物理特性與水分傳遞特性參數(shù)測(cè)量中的難題；采用具有相當(dāng)難度的彈性理論中的加權(quán)余量法建立稻米籽粒的濕度場(chǎng)、

9、濕應(yīng)力場(chǎng)的基本理論并進(jìn)行有限元單元分析；用試驗(yàn)研究所得到的彈性模量、泊松比、濕線(xiàn)膨脹系數(shù)、水分?jǐn)U散系數(shù)濕應(yīng)力場(chǎng)的物理參數(shù)為實(shí)常數(shù)、并首次采用由胚乳缺口的橢球形稻米籽粒有限元實(shí)體模型、以環(huán)境濕度及稻米初始含水率為邊界條件、初始條件，由ANSYS大型通用有限元分析軟件，進(jìn)行稻米內(nèi)濕度場(chǎng)數(shù)值模擬，并以獲得的水分分布作為濕應(yīng)力場(chǎng)的濕載荷初始條件，進(jìn)行濕應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，得到在環(huán)境濕度及稻米初始含水率下，一定時(shí)間以后籽粒內(nèi)部的濕應(yīng)力場(chǎng)分布，結(jié)果可見(jiàn)

10、拉應(yīng)力集中部位與實(shí)際試驗(yàn)研究中濕應(yīng)力裂紋的部位是接近的，驗(yàn)證了籽粒內(nèi)濕度場(chǎng)分析理論和有限元數(shù)值模擬的正確性。論文的創(chuàng)新之處為由試驗(yàn)研究首次獲得了稻米籽粒的濕線(xiàn)膨脹系數(shù)，稻米籽粒內(nèi)水分?jǐn)U散系數(shù)、估算了吸濕過(guò)程中稻米籽粒出現(xiàn)濕應(yīng)力裂紋處的水分梯度極限范圍等以往研究中沒(méi)有的各種濕應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)的物理參數(shù);并將物料的機(jī)械物理特性、水分傳導(dǎo)特性及所建立的濕度場(chǎng)、濕應(yīng)力場(chǎng)理論三方面相結(jié)合分析稻米濕應(yīng)力裂紋機(jī)理；嘗試進(jìn)行了稻米籽粒濕度場(chǎng)和濕應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的有