不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影(5)

果穗固定角度小于临界角度时，穗柄拉断力与断裂拉伸量均随籽粒含水率的降低而呈现减小趋势。穗柄拉断力的变化曲线与穗柄含水率较一致（图10 a）；拉伸断裂量变化趋势与穗柄含水率不同，表现为穗柄含水率出现大幅降低时，拉伸断裂量并未显著减小（图10 c）。苞叶去除率随籽粒含水率的降低而增加，与穗柄含水率的变化趋势相反，当籽粒含水率由25.1%降至20.3%时，穗柄含水率大幅降低，而苞叶去除率的增幅无明显改变（图10 e）。

果穗固定角度达到临界角度后，穗柄拉断力与拉伸断裂量均随籽粒含水率的降低而降低。但与穗柄含水率的变化趋势并不一致，表现为穗柄含水率大幅降低时，穗柄拉断力（图10 b）与断裂拉伸量（图10 d）均未出现明显减小。苞叶去除率此时依然随籽粒含水率降低而增加，当穗柄含水率大幅降低时，苞叶去除率的增幅无明显变化（图10 f）。

图10 临界角度前后穗柄含水率与各试验指标关系Fig.10 Relationship between peduncle moisture content and test indices before and after critical angle

3.2 试验结果回归分析

为研究特定含水率下穗柄断裂时果穗偏转角度与穗柄拉断力、断裂拉伸量及苞叶去除率的影响，本文以上述3个指标为目标函数，以玉米果穗的偏转角度为自变量，采用Origin 2016软件对各籽粒含水率下的试验结果进行一元非线性回归分析。由各指标随玉米果穗偏转角度的变化折线图可知，穗柄拉断力、断裂拉伸量的最优拟合函数为Logistic函数[27]：

（2）

式中yi为目标函数：其中y1为穗柄拉断力，N，y2为断裂拉伸量，mm；θ为果穗偏转角度，（°）；A、B、C、D分别为待定系数。

苞叶去除率的最优拟合函数为一元三次多项式：

（3）

式中y3为苞叶去除率，%。

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。

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