不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影(11)

各籽粒含水率下目标函数的拟合结果及回归系数如表4所示。由表4可知，穗柄拉断力回归拟合的决定系数R2最低为0.982 2，断裂拉伸量回归拟合的决定系数R2最低为0.968 9，苞叶去除率的回归拟合决定系数R2最低为0.935 8，表明上述回归方程对于试验结果的拟合程度较高。

表4 回归分析结果Table 4 Result of regression analysis项目Stem籽粒含水率 Kernels moisture/%系数Coefficients ABCDR2 穗柄拉断力 Fracture force of 2 2 2 .490.990 1 拉伸变形量Stretching 5 8 6 9 苞叶去除率 Removal rate of ×10-42.99× 9 ×10-44.69× 7 ×10-43.89× 9 ×10-44.63× 8

3.3 不同偏转角度下穗柄断裂机理分析

在各含水率下，当玉米果穗偏转角度增加到临界角度时，玉米穗柄的断裂方式由拉伸断裂变为弯曲断裂，玉米穗柄的断裂力、断裂时拉伸变形量及苞叶去除率均发生较大变化。以25.1%含水率下穗柄的断裂为例，结合试验现象及试验结果，分别对果穗偏转角度为45°和60°的“载荷-位移”曲线进行分析。

3.3.1 拉伸为主要形式的断裂

当果穗偏转角度为45°时，玉米穗柄的“载荷-位移”曲线如图11所示。此时，玉米穗柄变形断裂的主要形式为拉伸断裂。其“载荷-位移”曲线可分为3个阶段[28]。弹性阶段OTAT：该阶段内，玉米穗柄的变形量与载荷成正比，载荷消除，穗柄的变形将消失；塑性阶段ATBT：随着载荷的增加，穗柄所受的拉应力超过了其弹性极限，但是穗柄并未断裂，在载荷的作用下继续拉伸，“载荷-位移”曲线的斜率发生略微变化，中间伴随着苞叶的局部断裂，发出轻微断裂声，载荷出现锯齿状的下降；断裂阶段BTCT：当载荷增至BT点时，穗柄开始产生裂纹，伴随有轻微的响声，由于穗柄为非均匀材料，载荷呈阶跃式下降，并伴随有撕裂的声音，在较短时间内，载荷突然降低，同时发出较大的断裂响声，穗柄被拉断。

同时，可从图11分析得出，苞叶的局部断裂，会使穗柄的拉伸载荷曲线产生锯齿状的下降，但并不影响曲线总体的运行规律，即苞叶对于穗柄的拉伸力学特性没有显著的影响。

图11 果穗偏转角度为45°时穗柄拉伸的载荷-位移曲线Fig.11 Tensile load-displacement curve of peduncle when corn ear deflected at 45°

3.3.2 弯曲为主要形式的断裂

当籽粒含水率为25.1%，果穗偏转角度为60°时，玉米穗柄拉伸的“载荷-位移”曲线如图12所示。此时，玉米穗柄断裂的主要原因为弯曲变形，其断裂过程可分为3个阶段。直线阶段OBAB：此阶段为加载的初始阶段，玉米果穗穗柄表面不产生侧向裂纹，拉伸变形量与载荷基本呈正比关系；裂纹扩展阶段ABBB：当载荷增至AB点时，穗柄表面萌生横向裂纹，随着载荷增加，裂纹扩展，不断发出轻微开裂声，由于穗柄断面内材料的不均匀性，裂纹的扩展产生波动，“载荷-位移”曲线出现多次锯齿状的下降；非稳定断裂阶段BBCB：当载荷达到最大值后，穗柄被拉断，同时发出较大的响声，由于苞叶的影响及穗柄材料各组分弹性系数的差异，穗柄各部分持续弯曲断裂，“载荷-位移”曲线呈现阶跃式下降。

图12 果穗偏转角度为60°时穗柄的载荷-位移曲线Fig.12 Tensile load-displacement curve of peduncle when corn ear deflected at 60°

3.3.3 2种断裂方式下的力学比较

由上述分析可知，在以拉伸为主的断裂方式下，穗柄在裂纹萌生后短时间内断裂，穗柄断裂时的载荷与裂纹萌生时的载荷相比，变化较小。而在以弯曲为主要形式的断裂方式下，穗柄在裂纹萌生后持续出现锯齿状的波动，并产生较大的拉伸变形，由于存在应力集中等原因，这一阶段，载荷与拉伸时相比，并未产生显著增加，穗柄断裂拉伸的最大载荷与裂纹萌生时的载荷差值较小。因此，在2种断裂方式中，穗柄的断裂行为均始于表面裂纹的萌生，裂纹萌生时穗柄所受的拉力，能够在数值上客观反应穗柄断裂力。

由玉米穗柄的微观结构可知，其表层主要结构为纤维束[29]。穗柄表面裂纹的萌生，是拉力超过纤维束极限载荷而断裂的宏观表现。将穗柄横截面视为圆形，由材料力学知识可知，在拉伸情况下，材料的断裂条件为[30]

（4）

式中σT为材料的拉伸极限应力，MPa；FT为果穗偏转角度小于临界角度时的拉伸载荷，N；S为穗柄的横截面积，mm2；r为穗柄半径，mm。

在弯曲情况下，穗柄表面裂纹萌生的诱因是弯曲正应力超过材料的极限应力，即

（5）

式中σB为材料的极限弯曲正应力，MPa；Mmax为最大弯矩，N·mm；W为抗弯截面系数，mm3；FB为果穗偏转角度大于临界角度时的拉伸载荷，N；a为茎秆与裂纹产生处的水平距离，mm。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0412/475.html