苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析

苎麻，原产于我国，是我国古老的特色经济作物，有着悠久的栽培和纤维使用历史[1-3]。西方国家人们称苎麻为“中国草”，日本人称之为“南京草”[4]。苎麻在纤维纺织、食用菌基质、饲用、水土保持和环境治理方面具有很高的利用价值[5-9]，国外曾经把我国的丝绸、山羊绒和苎麻称为中国的三大纤维物宝。长期以来，我国一直是世界上最大的苎麻生产国，苎麻种植面积和产量均占世界总量的90%以上[10-11]。近年来，国内部分科研机构开始着手苎麻收割机和苎麻剥制机械的研究和设计[12-13]，但这些研究重点往往集中在机械结构设计及局部优化方面，忽视了对被加工物料苎麻茎秆的力学特性的研究，致使所研制机具无法达到高质、高效、低能耗的要求[14]。

查询相关茎秆类作物力学特性研究的资料，前人对甘蔗、芦竹、玉米等茎秆作物大量的实验研究结果[15-21]表明，通过对作物茎秆进行压缩或者拉伸等力学测试方式，可以得出茎秆在力学条件之下的测试参数，可以分析茎秆在不同的试验机加载载荷下弹性参数和破坏形式，进而可以对作物茎秆有一个更清晰的了解，并为作物机具的研究和制造提供了基础性参数。基于此，论文采用材料力学弹性参数测试的试验方法，对苎麻木质部和茎秆整体的整秆进行了轴向压缩力学特性的研究，为后续的样机研究和设计提供基础理论数据。

1　材料与方法

1.1　试验材料与试样

试验材料选用国家麻类产业体系咸宁苎麻试验站种植的中苎一号品种的三麻，试验材料测得的茎秆材料含水率为63.47%～76.24%(鲜茎含水率)，材料几何结构如图1所示，为木质部和韧皮部两个组分组成的圆管状。

选择试验材料茎秆底部30 cm内的材料制作木质部试样和茎秆试样。木质部试样是将茎秆材料的韧皮纤维层彻底剥离干净，留下木质部，并制作成长12～13 mm的试样，试样截面为圆管形，外径和内径取决于试样本身苎麻茎秆木质部的情况；茎秆试样是将茎秆材料制作长成12～13 mm的试样，试样截面为圆管形，外径和内径取决于试样本身苎麻茎秆木质部的情况。两种试样各制作10组。

图1　苎麻茎秆几何模型Fig.1　The geometrical model of ramie stalk

1.2　试验设备

力学测试设备采用WDW-10微机控制电子万能试验机(图2)，使用压缩力学测试压块，测试力量程5 kN。其力传感器以及位移传感器的精度都在%内。另外，其他的辅助工具包括测试夹具、游标卡尺等辅助测试工具。

1.3　试验测定

使用游标卡尺测量各个试样的几何参数(外径D、内径d、长L)并记录；按照试验要求设定万能试验机运动和数据采集方案；试验标准选择面板上的压缩试验标准。试验加载速度为1 mm·min-1，用户参数填入实测的试验材料几何参数，主图像选择应力—应变关系，主参数为最大值；将试样放在两个压块之间(图3)；启动万能试验机进行预紧，预紧力<5 N，预紧后采集系统数据调零；点击开始试验按钮，进行试验，试验数据由万能试验机系统软件自动采集，得到试验的应力—应变曲线；木质部和茎秆试样的试验各重复进行10组。

图2　WDW-10微机控制电子万能试验机Fig.2　WDW-10 PC-controlled universal testing machine

图3　试样放于压缩试验两个压块之间Fig.3　Sample put between two pressing blocks

1.4　数据统计与分析

对每组木质部和茎秆试验应力—应变曲线的大量离散点进行数据处理，通过利用SPSS软件依据最小二乘法原理对曲线初段线性的弹性变形部分根据弹性模量的应力应变关系式[22](式1)进行线性回归，得出每组试验数据的弹性模量。利用材料力学公式[23](式2)得出每组试验数据的抗拉强度。

式(1)中：E—弹性模量，MPa；σ—应力，MPa；ε—应变。

式(2)中：σp—抗拉强度，MPa；Fmax—加载过程中最大载荷，N； A—试样截面面积，mm2。

2　结果与分析

2.1　木质部试验结果与分析

对木质部的10组试样进行轴向整秆压缩试验，其应力—应变曲线如图4所示。从试验结果看，木质部在拉伸载荷的作用下应力应变曲线在预紧段后先进入较为线性的弹性变形阶段，然后，载荷值达到最大后，试件开始破裂，曲线下降。

图4　木质部轴向压缩应力—应变曲线Fig.4　Axial compressive stress-strain curve of xylem

根据计算，木质部试样轴向压缩试验每组弹性模量值和抗拉强度如表1所示。统计计算得其弹性模量平均值E木为241.93 MPa，标准差为73.14 MPa，最大值E木max为375.15 MPa，最小值E木min为133.73 MPa；最大抗压强度平均值σp木为12.61 MPa，标准差为0.97 MPa，最大值σp木max为14.27 MPa，最小值σp木min为11.40 MPa。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0412/478.html