“绿洲一号”穴盘苗茎秆力学特性试验*

叶大鹏，青家兴，林志强，赖鸿康，翁海勇，谢立敏

(1.福建农林大学机电工程学院,福州市,350100;2.福建省农业信息感知技术重点实验室,福州市,350100)

0 引言

“绿洲一号”为狼尾草属牧草巨菌草的一类,可用以治理环境、修复土壤、培养食用菌类、制成动物饲料与能源燃料等,具有极大的使用与研究价值[1]。采用传统扦插的方式种植“绿洲一号”,其成活率较低[2]。现大部分“绿洲一号”种植方式采用穴盘苗移栽种植,主要以人工配合半机械化移栽设备完成,其工作效率无法满足近年“绿洲一号”菌草的种植规模需求。移栽作业时,大部分由人工完成运苗、取苗等工作,劳动强度较大,劳动效率较低[3-4]。探究“绿洲一号”穴盘苗茎秆的力学特性,可为后续取苗机构执行部件的取苗方式、力度以及取苗运动轨迹提供可靠的力学理论支撑[5]。

现有关菌草穴盘苗茎秆力学的研究较少,大部分集中于成熟作物茎秆的力学特性研究[6],为后续的采摘收获、种植等工作提供力学参考。为优化取苗机构的取苗成功率,谢守勇等[7]进行辣椒穴盘苗茎秆的抗压力学试验,并以此为设计依据,选定夹茎式取苗的高度并优化苗夹的间距以及投苗位置。贾生涛等[8]对大蒜的形态特征进行测量并完成回归分析,得到不同种类大蒜主要以厚度以及长度为标准进行分级,为后续大蒜排种机结构设计提供理论依据。为确定后续采摘、收获的位置,李红波[9]、史瑞杰[10]、高文硕[11]分别对谷子、胡麻茎秆以及金针菇进行分段拉伸试验,得到靠近根部位置的抗拉特性的参数均大于其他部位。马秋成等[12]对莲仁压缩试验建立有限元仿真模型,得到与试验相近的仿真分析结果,表明应力最大出现在加载载荷施加处,破碎也出现在该位置。董楸煌等[13]对成熟的巨菌草的茎秆进行轴向压缩以及径向压缩试验,并通过ANNSY完成静力学仿真分析,试验与仿真均表明径向压缩要远小于轴向压缩,并验证了有限元分析法能满足茎秆的力学分析。

本文对“绿洲一号”穴盘苗茎秆进行拉伸、压缩、弯曲以及穴盘苗拔取脱盘试验,得到其对应的力学特性曲线与参数,为后续“绿洲一号”菌草移栽提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在福建农林大学机电工程学院农业物料实验室内开展。试验材料选用福建农林大学旗山校区菌草研究中心温室内培育的“绿洲一号”穴盘苗。种植的穴盘规格为32穴(8行×4列),高度为110 mm,外形尺寸为540 mm×280 mm,单穴孔为长方形锥体,上口径为60 mm×60 mm,下口径为23 mm×23 mm。试验采用的育苗基质的配方比为珍珠岩∶蛭石∶泥炭=1∶1∶1。“绿洲一号”种节泡水24 h,扦插32孔穴盘之中,温室育苗30天。

试验仪器选用ZT-969型单柱万能材料试验机(量程0～2 000 N,选择配套的试样夹具,可完成拉伸、压缩、弯曲等试验要求,仪器精度±1%)、电子秤(精度0.01 g)、电子游标卡尺(精度0.01 mm)以及物料烘干箱等。

1.2 试验方法

1.2.1 形态特征试验

穴盘中挑选出20株长势良好且基质完整无损坏的穴盘苗,完成形态特征的测量。采用电子游标卡尺对穴盘内的自然状态下的穴盘苗进行测量并获取穴盘苗高度、穴盘基质上表面与第一片真叶高度、穴盘苗叶冠横向最大、纵向最大距离以及靠近穴盘基质底部的茎秆直径。

将上述测量的穴盘苗取出,采用电子游标卡尺测量其基质高度以及上表面的宽度;采用电子秤测量整株穴盘苗总质量、每株苗的基质质量以及去掉基质的苗的质量;取下穴盘苗的茎秆部分并测量其质量,放入物料烘干箱内,采用70 ℃烘干6 h,测量其烘干后的质量,得到茎秆的含水率。

1.2.2 茎秆拉伸试验

茎秆拉伸试验采用ZT-969型单柱万能物料试验机,采用拉伸夹具将茎秆上下两端固定于测试试验机上,保证茎秆的轴线与试验机的拉力方向平行。

本试验将穴盘苗茎秆分为0～20 mm、20～40 mm两段,分别测量其拉伸性能。设置加载速度分别为15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min,每种加载速度重复测试10次,计算其平均值。采用茎秆分段的试验,测试其两段的抗拉特性,为后续移栽的夹持段的选择提供参考。“绿洲一号”穴盘苗茎秆拉伸强度计算公式如式(1)所示。

σ1=Ft/A

(1)

式中:σ1——茎秆的抗拉强度,MPa;

Ft——拉伸破坏载荷,N;

A——拉伸破坏的茎秆的横截面积,mm2。

1.2.3 茎秆径向压缩试验

万能物料试验机调整至压缩测试方法,选择合适的压缩试验夹具。本试验取茎秆的0～20 mm段以及20～40 mm段作为径向压缩试样。试样放置于压缩夹具之间,调整上夹具,使其下降并轻触试样上表面,随后试验机开始加载测试,得到“绿洲一号”穴盘苗茎秆的压缩特性曲线。为探究不同速度下茎秆的压缩特性,得到对应的压缩载荷以及压缩应力,本试验采用4种不同加载速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)分别进行茎秆压缩试验,每种加载速度测试重复10次。“绿洲一号”穴盘苗茎秆压缩强度[14]计算公式如式(2)所示。

(2)

式中:σ2——茎秆的抗压强度,MPa;

Fc——茎秆压缩破碎最大力,N;

d——茎秆直径,mm;

s——茎秆压缩破碎时上夹具的位移,mm;

l1——压缩茎秆长度,mm。

1.2.4 茎秆弯曲试验

根据GB/T 1936.1木材抗弯强度试验和GB/T 1936.2木材抗弯弹性模量的测试方法,开展三点弯曲试验。茎秆弯曲试验采用ZT-969型单柱万能物料试验机,取穴盘基质上方茎秆0～40 mm段作为弯曲试验的试样,平均直径4.2 mm,茎秆的含水率平均值为90.2%。试验时,弯曲下夹具之间的跨距为20 mm,将茎秆试样对称放置于下夹具之间,试验中,茎秆与加载力方向保持垂直,上方压头与试样上表面轻触[15]。开始加载测试,得到“绿洲一号”菌草茎秆的弯曲特性曲线。选取4个不同加载速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)对茎秆进行弯曲试验,每种加载速度测试重复10次。“绿洲一号”穴盘苗茎秆弯曲强度计算公式如式(3)所示。

(3)

式中:σ3——茎秆的抗弯强度,MPa;

Fb——弯曲加载最大力,N;

l2——茎秆弯曲试样长度,mm;

I——截面对中性轴的力矩,mm4。

1.2.5 穴盘苗脱盘力试验

“绿洲一号”穴盘苗的根系发达,缠绕着培养基质,将穴盘苗拔出时,下方根系将会带着部分培养基质一起从穴盘内拔出。试验时,上夹具将茎秆上方部分加持,下方穴盘保持固定,上夹具向上加载至整株苗完全从穴盘内脱离,试验方才结束。该试验重复20次,探究将“绿洲一号”穴盘苗拔取出穴盘所需的最大力。

2 试验结果分析

2.1 形态特征试验分析

穴盘中挑选出20株长势良好且基质完整无损坏的“绿洲一号”穴盘苗进行试验,得到其形态特征参数以及质量参数,穴盘苗的形态如图1所示。

图1 “绿洲一号”穴盘苗形态特征

测量穴盘苗的形态参数:穴盘苗高度h1、基质上表面与第一片真叶的距离h3、叶面宽a、叶面高b、靠近穴盘基质底部的茎秆直径c、拔出穴盘苗后的基质宽度w与高度h2、穴盘苗茎秆的含水率以及真叶数目,对上述参数进行测量并完成数据处理,具体参数见表1。测量得到穴盘苗的质量参数:整株穴盘苗的平均质量为128.29 g,每株苗的基质的平均质量为115.18 g,去掉基质的苗的质量平均值为13.11 g。

表1 “绿洲一号”穴盘苗形态参数

2.2 茎秆抗拉力学试验分析

由前文基质到第一片真叶的距离范围为37.1～69.8 mm,平均值为45.97 mm。故本拉伸试验将茎秆为两段:0～20 mm段、20～40 mm段,分别进行拉伸试验,得到拉伸特征曲线如图2所示,对其进行数据处理,结果见表2。

表2 “绿洲一号”穴盘苗拉伸力学特性参数

图2 “绿洲一号”穴盘苗茎秆拉伸位移—载荷曲线

由图2可知,曲线分为两段:第Ⅰ段对应曲线OA,拉伸载荷与拉伸位移呈现线性关系,拉伸载荷随着拉伸位移增大逐渐增大,直到A点出现最大的拉断力,茎秆开始出现断裂,该段的拟合曲线为y=7.286x,相关性系数为0.987;第Ⅱ段对应曲线AB,菌草茎秆持续被拉断,到达B点,茎秆被完全拉断,拉伸载荷变为0 N。

由表2可以看出,茎秆从底部向上的茎秆直径逐渐变小,茎秆的拉断力范围以及拉断力的均值从0～20 mm段到20～40 mm段也逐渐减小;在15 min/mm与20 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段茎秆的拉伸强度大于20～40 mm段;25 min/mm与30 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段茎秆的拉伸强度小于20～40 mm段;在15 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段茎秆的弹性模量大于20～40 mm段,见图3;其余压缩速度下,0～20 mm段茎秆的弹性模量小于20～40 mm段。由于0～20 mm段茎秆的拉断力大于20～40 mm段,故移栽选择夹取部分为0～20 mm段茎秆。

图3 不同段“绿洲一号”穴盘苗茎秆拉伸位移—载荷曲线

2.3 茎秆径向抗压力学试验分析

将穴盘苗茎秆的0～20 mm、20～40 mm两段作为压缩试样,采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四种加载速度进行茎秆的压缩特性试验,得到其压缩特性曲线如图4所示,并对其进行数据处理,见表3。

表3 “绿洲一号”穴盘苗压缩力学特性参数

图4 “绿洲一号”穴盘苗茎秆压缩位移—载荷曲线

由图4可以看出:曲线分三段:第Ⅰ段为OA段所对应的弹性阶段、第Ⅱ段为AB段对应屈服阶段、第Ⅲ段为BC对应压紧阶段[16]。弹性阶段的压缩位移与压缩载荷呈近似线性关系,该段的拟合曲线为y=28.392x,相关性系数为0.999;压缩载荷达到A点所对应的最大压缩载荷时,茎秆将破碎,A点对应的载荷为最大压缩力;压缩位移达到第Ⅱ段时,压缩位移逐渐增大,压缩载荷呈现波动的趋势;在BC段时,压缩位移逐渐增大,压缩载荷急剧增长,试样将被逐步压紧。

由表3可以看出,0～20 mm段茎秆比20～40 mm段茎秆的直径更大,在四种压缩速度之下,0～20 mm段茎秆的最大压缩力均大于20～40 mm段茎秆(图5)。在15 mm/min与30 mm/min的压缩条件下,0～20 mm段茎秆的抗压强度、弹性模量以及其余参数均高于20～40 mm段。在20 mm/min与25 mm/min的压缩条件下,20～40 mm茎秆的弹性模量大于0～20 mm段,但其他的压缩力学特性参数仍小于0～20 mm段茎秆。移栽夹持段应选择0～20 mm段,该段拥有较大的抗压力学性能。

图5 不同段“绿洲一号”穴盘苗茎秆压缩位移—载荷曲线

2.4 茎秆抗弯力学试验分析

本试验取“绿洲一号”穴盘苗茎秆0～40 mm作为弯曲试样,开展茎秆的弯曲特性试验,得到其弯曲特性曲线见图6,并对其结果分析,具体参数见表4。

表4 “绿洲一号”穴盘苗弯曲力学特性参数

图6 “绿洲一号”穴盘苗茎秆弯曲位移—载荷曲线

由图6可以看出,曲线分3个阶段:第Ⅰ段对应曲线OA:弯曲载荷逐渐增加,茎秆弯曲变形位移随之增加,呈线性关系,该段拟合曲线为y=1.748x,相关性系数为0.964。当载荷增大到达A点时的载荷,茎秆变发生最大的弯曲破裂,不能恢复原状,故称A点对应的载荷为弯曲最大载荷;第Ⅱ段对应曲线OB:弯曲位移继续增大,茎秆继续被压弯且承受载荷的能力下降;第Ⅲ段为B点及以后曲线,试样被破坏,不具有抗弯能力,载荷趋于稳定。

采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四种加载速度进行“绿洲一号”穴盘苗茎秆弯曲特性试验。表4数据表明:茎秆的最大弯曲载荷平均值为10.07 N,最大弯曲位移的平均值为8.22 mm,最大弯曲弹性模量平均值为7.51 MPa,抗弯强度最大的平均值为3.95 MPa;茎秆弯曲的特性曲线其规律大致相同,同组参数的数值波动范围较小。在4种不同的加载速度下,15 mm/min的压缩速度下的抗弯强度与弯曲弹性模量均值最小。选取直径相近的试验茎秆的弯曲特性曲线,比较弯曲特性曲线(图7)。

图7 4种加载速度下“绿洲一号”穴盘苗茎秆弯曲位移—载荷曲线

从图7可以看出,30 mm/min的加载速度之下试验得到的抗弯强度以及弯曲弹性模量最大。弯曲压头的加载速度越大,茎秆承受载荷的能力逐渐上升,抗弯强度以及弯曲弹性模量逐渐增大。

2.5 穴盘苗脱盘力试验分析

试验中将茎秆部分通过上夹具夹持,将下方穴盘固定,开展穴盘苗脱盘力测试试验,直到穴盘苗完全拔出。试验结果表明:“绿洲一号”穴盘苗最大脱盘力的范围为2.01～10.81 N、平均值为5.16 N、标准差为2.43。据表2数据分析,存在菌草脱盘力大于少数较细的“绿洲一号”穴盘苗茎秆的拉断力,表明夹茎秆取苗方式能够满足取苗工作要求。在基质含水率80%左右的条件下拔取穴盘苗,拔出具有完整的基质菌草苗较少,大部分为带有部分基质或完全不带基质,见图8。

图8 “绿洲一号”穴盘苗脱盘拔出实物图

当拔取完整的基质的穴盘苗(图1)时,其拔取位移—载荷曲线(图9)分为三段:第Ⅰ段为曲线OA,该段变形位移与载荷呈现线性关系[17],拟合得到拔取位移与载荷关系式为y=1.687x,相关性系数为0.991。A点对应的载荷为最大拔取力,此时的拔取力约等于穴盘基质与穴盘之间静摩擦力与整株菌草穴盘苗的重力之和;第Ⅱ段为曲线AB,随后拔取位移逐步增大、拔取力逐渐减少,此时穴盘基质与穴盘之间静摩擦力逐渐变为动摩擦力,此时脱盘力逐渐减小;第Ⅲ段为曲线BC,整株穴盘苗被拔出时,脱盘力等于拔出的穴盘苗的整株重力。

图9 “绿洲一号”穴盘苗拔取完整基质拔取位移—载荷曲线

3 茎秆仿真分析

3.1 茎秆仿真模型建立

为探究试验方案的可行性,观察茎秆压缩时应力的分布以及判断茎秆破碎的位置,本文采用有限元方法建立了茎秆的径向压缩仿真。茎秆的有限元仿真模型为长度20 mm、直径为4.5 mm的实心圆柱体,并进行模型简化:材料均匀,具有各向同性、忽略压缩时含水率与温度的变化影响[18]。仿真所建立的材料属性:弹性模量设定为含水率87.8%的0～20 mm段茎秆在压缩试验中测试所得的弹性模量值3.10 MPa;由植物材料泊松比大致范围为0.2～0.5[19],故选取茎秆泊松比为0.4;选择0.5 mm的划分网格精度。在ANASYS2019中建立上下两个压盘,对该茎秆模型进行施加力进行仿真压缩。选取上诉茎秆的压缩试验数据中的6个载荷:10.42 N、20.668 N、30.377 N、39.668 N、59.968 N、70.56 N作为压缩仿真载荷并完成压缩试验与仿真的试验误差对比。

3.2 茎秆仿真分析

由图10、图11可知:仿真得到的径向压缩应力为0.409～3.2 MPa,径向压缩时茎秆的上顶圆弧面处的应力与应变均为最大,这与径向压缩试验的茎秆破碎的位置一致。

图10 “绿洲一号”穴盘苗茎秆压缩的应力仿真

图11 “绿洲一号”穴盘苗茎秆压缩的位移仿真

采用6个载荷进行仿真分析得到仿真压缩载荷—变形曲线(图12),其曲线与试验得到曲线的相关系数为0.993,得到仿真值与试验值的偏差范围为3.5%～15.5%。故有限元分析法能够仿真模拟“绿洲一号”穴盘苗茎秆的力学特性。仿真值仍然与试验值存在偏差,大致原因可能有:试验中的茎秆不均匀,仍然存在各向异性;试验压缩会造成茎秆含水率的急剧变化;简化的圆柱体模型与试验中的茎秆存在偏差等[20]。

图12 试验值与仿真值偏差图

4 结论

1) “绿洲一号”穴盘苗的整体高度范围为205.2～302.9 mm,其叶面宽、叶面高都比较大、茎秆较细,茎秆的含水率在86.2%～95.23%之间。穴盘苗的质量大部分集中在基质上,去掉基质的苗的质量占整株质量约10%。

2) 拉伸试验中,在4种拉伸加载速度下,0～20 mm段茎秆的最大拉伸力均大于20～40 mm段茎秆,部分20～40 mm段茎秆的弹性模量大于0～20 mm段茎秆。压缩试验中,探究了茎秆的两段压缩特性关系,0～20 mm段茎秆的最大压缩力均大于20～40 mm段茎秆。弯曲试验中,相近直径的茎秆,压缩速度越大,试验测试得到的抗弯强度以及弹性模量也越大。综上所述,移栽夹持部分选择0～20 mm段茎秆。

3) 建立有限元仿真模型,得到仿真压缩载荷—变形曲线,与试验曲线趋势相近,其相关系数达到0.993,得到的仿真值与试验值最大偏差为15.5%,说明有限元分析法能够模拟茎秆的压缩力学特性。