成熟期巨菌草底部茎秆力学特性试验

陈文滔　方兵　梁晓　叶大鹏

摘要：研究巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）茎秆力学特性及其变化规律是建立巨菌草茎秆材料力学模型与本构关系的重要基础。利用SNAS微机控制电子万能材料试验仪对成熟期巨菌草底部茎秆进行顺纹拉伸、压缩、弯曲试验，获得其在试验条件下的应力-应变曲线，并进行分析。试验选取的巨菌草底部茎秆平均含水率为75%，测得的巨菌草底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度的平均值为93.2 MPa，弹性模量平均值为593.8 MPa；顺纹压缩最大抗压强度平均值为10.1 MPa，弹性模量平均值为126.4 MPa；顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为11.3 MPa，弹性模量平均值为610.5 MPa。表明巨菌草茎秆的拉伸破坏应力参数与苜蓿（Medicago L.）、毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近，而壓缩与弯曲破坏应力参数却远小于芦竹（Arundo donax L.）。因此，所获成熟期巨菌草底部茎秆力学特性参数，可为巨菌草机械切割设备的设计提供理论指导和基础技术参数。

关键词：巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）；茎秆；力学特性；强度；弹性模量

中图分类号：S233.75 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-2031-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.028

Abstract： The research on the variation of mechanical properties of Pennisetum sinese Roxb stalks is important foundation for the establishment of material mechanics model and constitutive relation of P. sinese stalk. Stretching test， compressing test and bending test on the bottom stalks of maturity P. sinese were carried out by using the SNAS computer-controlled electronic universal testing instrument， and the experimental data were analyzed in form of stress-strain curves. The stalks with an average moisture content of 75% were used as meterial. The results showed that the average maximum of pulling resistance intensity along veins is 93.2 MPa； and the modulus of elasticity is 593.8 MPa. The average maximum of stress resistance intensity along veins is 10.1 MPa； and the modulus of elasticity is 126.4 MPa. The average maximum of bend resistance intensity along veins is 11.3 MPa； and modulus of elasticity is 610.5 MPa. The results also indicated that the tensile breaking stress parameters of the P. sinese is similar to Medicago L. and Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.， but is far less than the compression and bend breaking stress parameters of Arundo donax L. Therefore， the parameters of mechanical properties of the mature bottom stalk of P. sinese can provide theoretical background and basic technical parameters of the guidance for the designing of the Pennisetum sp. mechanical cutting machines.

Key words： Pennisetum sinese Roxb； stalk； mechanical properties； strength； elastic modulus

巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）是多年生直立丛生型植物，属于被子植物门单子叶植物纲禾本科狼尾草属，分布于热带、亚热带、温带地区，能耐受短期的干旱，但不耐涝，具有较强的分蘖能力[1]。其外观似芦竹（Arundo donax L.），植株高大，最高可达7.08 m，抗逆性强，茎粗可达3.5 cm，产量高，粗蛋白和糖分含量高，根系发达。从1983年引进中国后，经过20多年的人工培育，已形成适合国内气候土壤环境的高产优质草种。同时，以草为原料栽培食用菌也可以有效解决“菌林矛盾”。巨菌草的茎秆木质纤维可作为生物能源与工业原料，从2008年开始已应用于生物质发电、纤维板生产、制造燃料乙醇等新能源用途[2]，其潜在的经济价值巨大。

目前巨菌草已在福建、宁夏、广西、浙江、新疆等省（自治区）和非洲、美洲的许多国家推广种植[2]。随着种植面积的不断扩大，实施巨菌草机械化收割已经成为生产上迫在眉睫的问题，这对于提高劳动生产率、降低生产成本、提高资源利用率等都具有重大意义，因此有必要对巨菌草茎秆力学特性展开研究。巨菌草茎秆的力学性能参数是研制高效、低耗茎秆切割器的重要参数依据，有利于在农业机械设计阶段中减少研发成本与缩短研发周期。目前，已有学者研究了芦竹、苎麻[Boehmeria nivea（L.）Gaudich.]、玉米（Zea mays L.）等作物茎秆的力学性能[3-5]，而国内外对巨菌草的研究主要集中在化学成分[6，7]、栽培技术[8，9]、经济效益[10，11]方面，对巨菌草茎秆的力学性能研究国内文献尚未见相关报道。巨菌草的生物结构与竹木等禾本科植物材料类似[12]，其力学性能上呈现各种向异性、非均性、非线性等[3]。巨菌草在收割过程中，其茎秆的力学特性对切割刀具的切割损耗、切割角度、切割效率都会产生影响[13]。对巨菌草底部茎秆进行力学特性研究，获得其最大破坏应力、弹性模量等力学特性参数，将为巨菌草的切割仿真分析以及切割刀具的设计提供理论依据与基础技术参数，这对于提高切割效率、降低能耗，实现巨菌草收割机械一体化等具有重要的指导意义。为此，试验借鉴木竹材料的试验标准，选取成熟期的巨菌草底部茎秆，测试了其拉伸、压缩、弯曲的破坏应力和弹性模量等力学性能参数，并进行了相应的分析，现将结果报告如下。

1 材料与方法

1.1 材料采集

采用福建农林大学国家菌草工程技术研究中心东山种植基地的巨菌草茎秆为试验材料，通过巨菌草种植技术人员了解巨菌草生长周期与生长情况，选取生长良好、直径18～23 mm内的成熟期巨菌草茎秆。巨菌草收割时，对其留茬高度为18～50 mm左右，故采集距离地面18～200 mm的巨菌草茎秆作为试样。试样采回后去苞叶，外部擦拭干净，切勿用清水浸泡。试样要求通直、无虫害、无明显缺陷及表皮完整无损伤。

1.2 试样的制作

对采集来的巨菌草茎秆去顶、剥皮、锯掉结隔，并编号，测量巨菌草茎秆直径，参照木材和竹材物理力学性质试验方法[14，15]制作试样。拉伸试样如图1-a所示，规格为120.0 mm ×15.0 mm×t mm（长×宽×茎秆壁厚），试验中间有效部分规格为60.0 mm×2.0 mm×t mm，与两端夹持部分圆弧平滑过渡；压缩试样如图1-b所示，试样规格为30.0 mm×d mm×t mm（高×茎秆外径×茎秆壁厚），两端需要用砂纸打磨平整；弯曲试样如图1-c所示，规格为100 mm×d mm×t mm（长×宽×茎秆壁厚）。为防止茎秆在粘有胶垫的两个夹头中脱落，通过自制模具，采取将拉伸试样两端以牙托粉固定的方法[16]。经测定，所选巨菌草茎秆试样的种植密度为8～9簇/m2，巨菌草平均高度为3～5 m，底部茎秆试样含水率平均值为75%。试样的试验环境温度为19 ℃，室内的相对湿度为48%。

1.3 试验设备与方法

试验设备采用深圳市新三思材料检测有限公司制造的SNAS微机控制电子万能材料试验机，其精度级别为1级，试验力准确度与变形准确度均在1%以内。利用该设备进行拉伸、压缩和弯曲试验，分别采用井字纹夹头（图2-a）、圆盘形平面专用压头（图2-b）和三点弯曲试验装置（图2-c）进行试验。该系统由试验机主机、RG控制器、计算机控制系统3部分组成，在试验运行过程中能动态显示载荷值、变形值、试台速度和应力-应变曲线等试验状态、试验结果。3个分试验都重复4次，采用精度为0.01 mm的数显卡尺测量试样直径、标距等。试验方法参照文献[15]的方法进行。

2 结果与分析

2.1 拉伸试验与分析

将井字纹夹头夹紧巨菌草试样的两端，以10 mm/min的加载速度施加拉伸载荷，得到试样拉伸应力-应变曲线，具体见图3。由图3可以看出，巨菌草茎秆被拉伸直至破坏的过程可分为两个阶段，第一阶段试样在拉伸载荷下逐步达到破坏极限，其关系近似线性关系；第二个阶段是当拉伸应力达到巨菌草茎秆最大拉伸强度后，抵抗力迅速降低，巨菌草茎秆被拉断，试验曲线表现为非线性，再继续施加载荷，应力震荡下降。从图3还可以看出，试验过程中拉伸应力达到巨菌草茎秆最大拉伸强度后，巨菌草茎秆被拉断，应力瞬时急剧下降。试验测得的巨菌草最大抗拉强度的最大值为109.5 MPa，最小值为67.5 MPa，平均值为93.2 MPa，抗拉弹性模量为 491.1～672.2 MPa，平均值是593.8 MPa。

2.2 壓缩试验与分析

将压缩试样置于平面压头的承载平面，设置材料压缩弹性模量控制程序，以10 mm/min的加速度施加压缩载荷，设置压缩位移为1 mm，得到试样的压缩应力-应变曲线，具体见图4。由图4可以看出，巨菌草茎秆沿轴向的压缩试验过程大致可以分为五个阶段，第一是初始变形阶段，该曲线呈近似线性形变；第二为一次屈服阶段，当压块的压力达到一定值后，再之后就几乎不再增加，茎秆变形迅速增快，巨菌草茎秆的横截面形状开始由圆形变为不规则椭圆，茎秆的抵抗能力开始下降；第三则抗力恢复阶段开始，在此阶段中的变形达到最大时，茎秆又迅速恢复了抵抗能力，压力迅速增加；第四是二次屈服阶段，此阶段的抗压应力将达到一定数值水平，而此阶段的压力几乎不增加，巨菌草茎秆的变形继续加大，直至完全变形；第五为彻底破坏阶段，在经历过二次屈服后，茎秆的抗压能力稍微有了一定恢复，此时的巨菌草茎秆压力上升到了最大值，抗压应力也达到了最大值，巨菌草茎秆在沿着直径方向上的纵向对称面开始被破坏。

试验测得的巨菌草最大抗压强度最大值为10.71 MPa，最小值为9.46 MPa，平均值为10.1 MPa，抗压弹性模量为100.51～153.21 MPa，平均值为126.4 MPa。

2.3 弯曲试验与分析

试验采用三点弯曲法，将弯曲试样作为板材处理[14]，选用材料弯曲弹性模量试验控制程序，定义相应的巨菌草试样截面积，弯曲跨度为80 mm，预加载荷10 N（保证压头与试样密切接触），弯曲压力加载速度10 mm/min。得到试样弯曲应力-应变曲线，具体见图5。由图5可以看出，弯曲应力超过最大抗弯强度后巨菌草茎秆断裂，应力下降。试验测得巨菌草茎秆最大抗弯强度的最大值为32.7 MPa，最小值为13.3 MPa，平均值为11.3 MPa，弹性模量平均值为610.5 MPa。

3 小结

1）在试验条件下，选用成熟期巨菌草底部茎秆为试验材料，测得巨菌草最大抗拉强度的最大值为109.5 MPa，最小值为67.5 MPa，抗拉强度的平均值为93.2 MPa，弹性模量为 491.1～672.2 MPa，平均值是593.8 MPa；最大抗压强度最大值为10.71 MPa，最小值为9.46 MPa，平均值为10.1 MPa，弹性模量100.51～153.21 MPa，平均值为126.4 MPa；最大抗弯强度的最大值为32.7 MPa，最小值为13.3 MPa，平均值为11.3 MPa，弹性模量平均值为610.5 MPa。

2）试验的拉伸应力-应变曲线、压缩应力-应变曲线、弯曲应力-应变曲线均显现出一定的非线性特征。拉伸试验中，拉伸应力达到巨菌草最大抗拉强度后，试样被瞬时拉断，其应变与延伸率都较小，巨菌草拉伸力学特性表现为一定脆性；压缩试验中，当载荷超过巨菌草最大抗压强度后，试样进入紧密压缩阶段，应力基本不变，直至试样压裂；弯曲试验中，当载荷超过巨菌草最大抗弯强度时，试样瞬间被弯曲折断，表现为明显的脆断性。

3）巨菌草茎秆的拉伸力学特性与苜蓿（Medicago L.）、毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.）Mitford cv. Pubescens Mazel ex H.de Leh.]相近，而压缩与弯曲力学特性远小于芦竹。因此，试验所获成熟期巨菌草底部茎秆力学特性参数可为巨菌草机械切割设备的设计提供理论指导和基础技术参数。

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