常溫下稻米濕應(yīng)力場物理參數(shù)及裂紋機理的試驗研究.pdf

1、稻米是我國主要的糧食作物，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、加工等過程中會存在各種機械損傷，關(guān)于干燥過程應(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，造成經(jīng)濟損失，而這方面的研究報道很少，所建立的基本方程中許多參數(shù)在國內(nèi)還很少被研究過，本文研究稻米籽粒濕應(yīng)力場的主要物理特性參數(shù)及濕應(yīng)力裂紋機理，掌握稻米籽粒水分傳遞的規(guī)

2、律與籽粒材料本身機械強度、變形、裂紋等之間的關(guān)系，對稻米產(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；研制了測量稻米材料機械物理特性時使用的保溫保濕箱、適用于稻米試件使用的拉伸和彎曲試驗裝置；配置了暗箱、CCD攝像機、豎直與水平攝像裝置及計算機圖像采集系統(tǒng)等；進行稻米機械物理特性和水分傳遞特性的各種預(yù)備試驗，得到：稻米的抗拉強

3、度遠(yuǎn)小于抗壓強度而拉壓時的彈性模量、泊松比相差不大，稻米籽粒的拉伸試驗難度極大，成功率很低，可以用籽粒的彎曲試驗代替拉伸試驗研究籽粒材料的拉伸特性；探討試驗研究方法及其可行性，制定了合理的稻米濕應(yīng)力場試驗研究方案。 進行了4個品種稻米等截面柱形試件的單軸壓縮和拉伸試驗，獲得了壓縮和拉伸時的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，強度極限、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；稻米的強度極限、彈性模量和泊松比，隨含水率的增加而減

4、小。 進行了完整稻米籽粒的彎曲試驗，通過對4個品種稻米的彎曲試驗，分別獲得了稻米籽粒在彎曲時的抗拉強度極限和彈性模量，建立了稻米含水率與彎曲特性指標(biāo)之間的關(guān)系。 試驗研究得到：相同品種、相同含水率下稻米籽粒的抗壓強度要遠(yuǎn)大于稻米籽粒的抗拉強度，而兩種試驗方法得到的稻米的彈性模量和泊松比數(shù)值相近，說明當(dāng)?shù)久滋幵谖鼭窕蚪馕沫h(huán)境時，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)力達到了籽粒的抗拉強度極限而發(fā)生的。 研制了稻米籽粒濕線膨脹系數(shù)試驗裝置，采用圖像分析技術(shù)對稻米籽粒濕線膨脹系數(shù)進行了試驗研究，獲得4個品種稻米在不同含水率范圍內(nèi)的濕線膨脹系數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)稻米籽粒長方向濕線膨脹系數(shù)數(shù)值要大于寬方向。在相同含水率變化下，稻米籽粒在長方向的膨脹量會大于寬方向，所以稻米籽粒發(fā)生斷裂時，裂紋的產(chǎn)生都是垂直于長方向發(fā)生的。 利用動態(tài)圖像分析的方法，觀察稻米籽粒在吸濕或解吸過程，獲得

6、稻米籽粒在開裂前，稻米含水率-吸濕時間-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)及其與吸濕時間的關(guān)系，并且估算出在任意時刻，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)。 將稻米機械物理特性與水分傳遞特性試驗研究結(jié)果相結(jié)合，探討常溫下稻米籽粒濕應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的機理，分別作了稻米籽粒內(nèi)濕度場的理論分析及三角形單元的有限元分析，采用試驗所獲得的彈

7、性模量、泊松比、濕線膨脹系數(shù)、水分?jǐn)U散系數(shù)等稻米籽粒材料濕應(yīng)力場的物理參數(shù)為實常數(shù)、并建立橢球形稻米籽粒有限元實體模型、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，進行了稻米籽粒濕度場的有限元數(shù)值模擬分析，并將濕度場的有限元模擬結(jié)果作為濕度載荷施加到有限元橢球模型上，進行稻米籽粒的濕應(yīng)力場的有限元模擬，獲得了與稻米應(yīng)力裂紋動態(tài)產(chǎn)生觀察位置相近的結(jié)果，給出了稻米籽粒在吸濕時籽粒內(nèi)部的濕應(yīng)力-應(yīng)變場

8、的分布情況。預(yù)測濕應(yīng)力裂紋的發(fā)生、發(fā)展：吸濕時拉應(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裝置，解決稻米機械物理特性與水分傳遞特性參數(shù)測量中的難題；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、

9、濕應(yīng)力場的基本理論并進行有限元單元分析；用試驗研究所得到的彈性模量、泊松比、濕線膨脹系數(shù)、水分?jǐn)U散系數(shù)濕應(yīng)力場的物理參數(shù)為實常數(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，進行稻米內(nèi)濕度場數(shù)值模擬，并以獲得的水分分布作為濕應(yīng)力場的濕載荷初始條件，進行濕應(yīng)力場數(shù)值模擬，得到在環(huán)境濕度及稻米初始含水率下，一定時間以后籽粒內(nèi)部的濕應(yīng)力場分布，結(jié)果可見

10、拉應(yīng)力集中部位與實際試驗研究中濕應(yīng)力裂紋的部位是接近的，驗證了籽粒內(nèi)濕度場分析理論和有限元數(shù)值模擬的正確性。論文的創(chuàng)新之處為由試驗研究首次獲得了稻米籽粒的濕線膨脹系數(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有的各種濕應(yīng)力場有關(guān)的物理參數(shù);并將物料的機械物理特性、水分傳導(dǎo)特性及所建立的濕度場、濕應(yīng)力場理論三方面相結(jié)合分析稻米濕應(yīng)力裂紋機理；嘗試進行了稻米籽粒濕度場和濕應(yīng)力應(yīng)變場的有