谷物力學特性的試驗方法論文
1有限元分析法
國內外有許多學者結合谷物的物理特性，建立有限元模型，應用有限元方法來研究谷物的力學特性。和實驗和數學計算方法比較，有限元法可以獲得谷物受載荷時的微觀力學特性，以及谷物內部應力分布規律。Irudayaraj等[22-23]根據材料的粘彈性，利用二維有限元程序計算了玉米縱截面上的各應力分量隨時間變化的過程。并通過有限元分析求出了烘干過程中玉米內部最大應力出現的時間、位置，以及與外界烘干條件的關系。李新平等[24]對玉米種子力學特性進行了有限元分析，通過建立玉米種子的物理模型和有限元計算模型，模擬加載過程，分析了玉米種子在頂部和腹部施加載荷的變化情況，應力分布云圖如圖1、圖2所示。分析結果顯示：玉米種子宏觀破裂位置和破裂方向與LDS微型控制電子拉力實驗機上對玉米種子進行壓縮實驗得到結果的一致，并獲得不同施力位置載荷下的微觀力學特性。張克平等[19]結合小麥籽粒的幾何特征，建立了受擠壓時的有限元模型，通過分析得出：用有限元分析法模擬小麥籽粒在3種不同壓縮型式下的力-位移曲線，和實驗得到的力-位移曲線最大偏差為12%；小麥籽粒受壓縮載荷是的內部應力云圖如圖3所示，小麥籽粒在H型和B型壓縮時，最大應力出現在腹溝附近與實驗結果一致。
2谷物組織結構與力學性能
2.1谷物內部結構與力學性能
由于谷物內部組織結構復雜，各部分物質成分不同，機械強度也不一樣。因此谷物的內部結構對力學性能有較大影響，研究谷物力學性能需與內部結構結合起來進行分析。小麥籽粒由麥皮、胚乳和胚等部分組成，其中麥皮由果皮、種皮、珠心層和糊粉層組成[25]。文獻[26]通過實驗得到的數據證明了含水率相同時，小麥皮層和胚乳的機械強度不同；含水率不同時，胚乳、皮層和麥粒的機械強度變化趨勢不同，胚乳的水分越低，強度越高，但皮層則相反。小麥在制粉前要先對其潤麥處理，使小麥的不同組織含有不同的水分，這樣降低了各組分的硬度，進而降低了小麥的機械強度，從而減少了研磨時的能量損耗。陳志成、李碩碧等通過對不同硬度的小麥觀察他們的微觀結構發現：硬質小麥的皮層結構比軟質小麥的皮層結構緊密，而且分層更清晰；硬質小麥的胚乳結構比軟質小麥的致密；硬質小麥的蛋白質與淀粉比軟質小麥的蛋白質和淀粉的結合更緊湊[25，27]。玉米籽粒結構為：種皮、胚、胚乳（粉質胚乳和角質胚乳）和位于基部的果柄。張鋒偉等[20]對玉米籽粒力學性能進行實驗分析表明：隨著含水率的增加，玉米籽粒的硬度、抗壓能力和抗剪能力都明顯下降，而且過縱軸的抗剪能力明顯高于過橫軸的抗剪能力。分析其原因：玉米籽粒的側面主要由角質胚乳組成，而角質胚乳的硬度又大于粉質胚乳和胚，所以角質胚乳在抗破碎中起著至關重要的作用。Brass[28]實驗發現：玉米籽粒不同結構的力學特性均不相同，所以各部分能承受沖擊力的程度也不同。玉米的破裂過程首先發生在內部結構尖冠、胚、粉質淀粉、角質淀粉，最后才是種皮。張洪霞[29]通過對稻米力學指標主成分進行了分析，得到：主成分PRIN1主要綜合了硬度、彈性模量、剪切破壞力、擠壓破壞應力、松弛模量第2分量等5個因子的變異信息，這5個變量跟稻米的.硬度有關，因此稱PRIN1為“硬度因子”；主成分PRIN2主要綜合了剪切破壞能、松弛模量的第一分量、及松弛時間的第一分量等3個因子的變異信息，這3個變量跟稻米的彈性有關，因此稱PRIN2為“彈性因子”；第3個主成分PRIN3主要綜合了擠壓破壞力、松弛時間的第三分量，這2個變量跟稻米的黏性有關，因此稱PRIN3為“黏性因子”。
2.2谷物幾何特征與力學性能
谷物的幾何特征獨特，大量研究結果顯示，幾何特征對谷物的力學性能具有重要的影響。力學實驗中對谷物的擠壓主要有三種形式：腹面（或H型）、側面（或B型）和頂面（或L型），如圖4和圖5所示。對谷物的剪切主要有兩種形式：縱軸剪切和橫軸剪切，如圖6所示。玉米種子抗壓特性實驗的結果顯示[15]：含水率相同的同一品種，最大破裂力在平放時最大，側放時次之，立放時最小，而且平放時的最大破碎是立放的2.21倍左右；同一種放置方式時，不同品種玉米種子的壓力各不相同；不同放置方式時，不同的受壓面生成裂紋的部位、形狀和規律也不同，對不同含水率的小麥籽粒的擠壓實驗[19]分析得到：H型與L型擠壓時的彈性模量變化較接近，而且變化范圍較大，L型擠壓時的變化較小，而且H型和L型的最大彈性模量是B型的1.17倍左右；三種擠壓形式下的屈服強度的順序為L型＞B型＞H型，而且L型的屈服強度是H型的1.47倍左右；最大變形的順序為B型＞L型＞H型，而且B型是H型的1.32倍。玉米種子不同面沖擊實驗得：腹面所能承受的最大沖擊力最大，側面居中，頂面最小[30]。
2.3谷物品質性狀與力學性能
孫戌旺等[17]對小麥籽�？蛊扑榱εc其品質性狀關系研究得出：小麥籽粒的抗破碎力與蛋白質含量呈極顯著正相關，與濕面筋和干面筋呈顯著正相關，與淀粉呈負相關，與其他品質性狀的相關性不明顯。米飯的口感通常與米飯的硬度、彈性及粘度有關。張洪霞等[31]對米飯的雙面剪切實驗獲得與米飯口感特性相關的力學指標的相關性：硬度與最大剪切力、破壞能及松弛力分量成正相關；最大剪切力與松弛力分量成正相關；剪切破壞能與最大剪切力及松弛力分量成正相關。張海艷[32]對玉米籽粒品質性狀及其相互關系分析表明：角質率與醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白含量呈極顯著正相關，與峰值粘度、膨脹勢呈極顯著負相關；容重與角質率、糊化溫度呈極顯著正相關，與各淀粉組分含量呈負相關；支鏈淀粉與含量與糊化溫度呈正相關，與其他粘度指標呈負相關；直鏈淀粉含量與膨脹勢、峰值粘度、最終粘度、峰值時間和糊化溫度均呈正相關。王巖等[33]對稻米抗剪切力與其品質性狀研究得到：剪切力與蛋白質含量呈負相關，說明蛋白質在很大程度上影響稻米的硬度，蛋白質含量越低，稻米越硬，其食味值越高；與食味值呈顯著正相關，說明稻米越硬，其食味值越高。與其他品質性狀相關性不明顯。
3谷物的力學特性
3.1谷物的力學-流變學特性
流變學是指從應力、應變、溫度和時間等方面來研究物體變形和（或）流動的物理特性。流變學是力學的一個新分支，主要研究的是物體在外力作用下的變形和流動的學科。大多谷物籽粒及種子都屬于非牛頓流體，研究他們的力學-流變學特性，可為設計各種農業機械提供可靠的理論依據，也可減少谷物在干燥過程中由于內部熱應力和濕應力而引起的內部裂紋[34]，還可以減少其在收獲、裝運、貯存和加工等環節的損傷[35]。李國文等[36]通過研究糯米、玉米等粉料的在線流變特性得出：谷物種類不同，其流變特性參數及其曲線有著明顯的差異；同一種物料，流變特性由于含水率的變化也隨之變化；反映物料流變特性的重要參數-表觀粘度（ηa）隨著剪切率（γ）的增加而減小。馬小愚等[37]研究了東北地區大豆與小麥籽粒力學-流變學性質，得到了小麥籽粒擠壓時幾種主要力學性質，側面擠壓時彈性常數為324.83～464.23MPa，屈服力為29.61～38.76MPa，破壞力為75.17～139.24MPa；腹面擠壓時彈性常數為443.63～767.40MPa，屈服力為33.65～36.05MPa，破壞力為99.03～138.84MPa。
3.2谷物的力學性能指標
谷物的力學指標有：剪切力、擠壓力、最大應力、強度、彈性模量、屈服強度、破碎力、破碎應力和破碎能等[11，24，38-39]。對不同含水率的同一品種，同一含水率的不同品種，在不同的實驗位置（腹面、側面、頂面）對其進行擠壓和剪切實驗時，所受的力不盡相同。小麥籽粒擠壓實驗[19]，對含水率在9.1%～21.6%范圍內的冬小麥籽粒在3種壓縮型式（B型、H型和L型）下的破碎負載為63.44～154.77N，彈性模量為98.86～206.59MPa，屈服強度為0.8～1.95MPa，最大應變為0.71%～1.02%；含水率相同時，破碎負載的順序為B型壓縮時最大，L型壓縮時次之，H型壓縮時最小。小麥剪切實驗[18]得到：當實驗剪切速度確定為1mm/min，不同品種間抗剪切力存在顯著差異，剪切力值分布在69.14～124.1N之間。大米籽粒壓縮特性實驗[11]獲得：不同品種大米的破壞能、破壞力差異為極顯著，彈性模量差異為顯著，而破壞應力差異不明顯；各力學指標的變化范圍為：彈性模量：257.28～299.74MPa，破壞能：2.48～4.28Nmm，破壞應力：16.41～19.48MPa。糯米剪切實驗[12]得到：不同品種糯米的剪切力學指標：硬度、破碎能、破碎力、破碎應力的差異均為極顯著；各個剪切力指標的變化范圍為：硬度：21.54～77.93MPa；破碎能：2.18×10-3～7.74×10-3Nm；破碎力：15.91～33.13N；破碎應力：2.48～6.60MPa。糯米三點彎曲實驗[21]中得到了破碎力分布特性如圖7所示。由圖7可知，腹面壓縮時糯米的破碎力平均值為25.39～31.97N；側面壓縮時破碎力平均值為24.65～28.63N，而且腹部的三點彎曲破碎力分布相對較分散，呈多峰分布，背部三點彎曲破碎力分布相對較集中。Kamst等[40]的研究證明：在同等條件下糙米所能承受的抗壓強度比抗拉強度大，因而使稻米破碎的力為拉應力或彎曲應力。玉米種子抗壓特性實驗得到[15]，含水率相同的同一品種，最大破裂力在平放時最大，側放時次之，立放時最小；同一種放置方式時，不同品種玉米種子的壓力各不相同；不同放置方式時，不同的受壓面生成裂紋的部位、形狀和規律也不同。玉米種子內部裂紋實驗[35]獲得，玉米種子內部機械裂紋主要發生在籽粒冠部并向周邊擴展；實驗中3種玉米種子普遍存在內部機械裂紋，其中長裂紋平均損傷率為39.8%，1條長裂紋和2條長裂紋的損傷率各為12.4%、3條長裂紋的損傷率為15.0%。
4結論與展望
由于谷物力學特性在其收獲、運輸、干燥、儲藏及加工過程中的重要意義，正越來越受到研究工作者的廣泛關注，通過實驗、數學計算和有限元等方法的綜合應用，對谷物的力學特性有了深入研究，但現有的力學模型、有限元模型均將谷物視為各向同性材料，且谷物的幾何特征、不同的物質成分并沒有得到準確地反映。分析目前的研究現狀，谷物力學特性的研究還將朝著以下兩個趨勢發展：實驗和數學分析進一步深化，如分析過程中考慮谷物材料的各項異性特征；借助有限元等先進分析方法，建模過程中更加準確考慮谷物幾何結構特征以及不同組成成分的物理特性，并以實驗結果對有限元模型進行驗證和修正。
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