玉米秸秆力学特性的离散元建模方法研究

摘要

玉米秸秆作为一种重要的生物质资源，在资源日益匮乏的经济时代，逐渐被大家所重视。由于玉米秸秆具有复杂多样的内部结构，导致其具有独特的个体差异，从而呈现出不同的力学性能，直接影响它的利用。深入研究玉米秸秆各组分的力学性能及其差异，并建立相应的力学模型，探讨外载荷作用下的力学特性变化规律，为其深度综合利用和预处理加工机械设计提供基础的理论依据。　　针对玉米秸秆的力学特性理论分析和数学建模这一较为困难的问题，在对玉米秸秆的生物物理力学特性进行研究的基础上，利用离散元方法建立玉米秸秆离散元力学模型，包括:玉米秸秆外皮、内穰的剪切和拉伸力学特性离散元模型;单根玉米秸秆的径向压缩、弯曲力学特性离散元模型和玉米秸秆集合体的打捆力学特性离散元模型等。论文围绕玉米秸秆离散元模型的建立，对玉米秸秆物理和力学特性进行了研究，取得的主要研究成果如下:　　(1)测试了玉米秸秆基本物料特性参数，得到:玉米茎秆的平均直径为16.14±4.05mm，平均外皮厚度为0.9mm，外皮、内穰和整体的平均密度分别为1.12、0.66和1g/cm3，同时用图像处理的方法得到玉米秸秆维管束的横截面直径为0.15mm，用烘干法测得新鲜玉米秸秆含水率为80％，风干玉米秸秆的含水率为8％。　　(2)建立了玉米秸秆外皮轴向剪切力学特性的离散元模型，同时进行了剪切测试与模拟对比。剪切测试结果表明:外皮平均剪切强度为3.00MPa，平均弹性模量为0.23GPa;外皮轴向剪切强度和弹性模量随节间位置升高而降低;含水率和品种对剪切强度和弹性模量均无影响。模拟结果表明:对玉米秸秆外皮轴向剪切模型加载后模拟的力学特性与实际测试力学特性相似;模拟的破坏过程中的载荷—位移图线与测试实测曲线相一致;获得了外皮维管束间的离散元模型参数，主要参数s-bond和kn的取值范围分别为0.14-0.32N和1×106-1.2×107 N·m-1。　　(3)建立了玉米秸秆外皮和内穰进行拉伸力学特性的离散元模型，同时进行了拉伸测试与拉伸模型模拟对比。拉伸测试结果表明:秸秆外皮拉伸具有塑性材料的特征，在新鲜状态下，抗拉强度为131.1±48MPa，弹性模量为22.93±13GPa;风干状态下，抗拉强度为113.42±40MPa，弹性模量为15.71±6GPa;玉米秸秆内穰拉伸具有脆性材料的特征，在新鲜状态下，抗拉强度为1.09±0.27MPa，弹性模量为0.06±0.02GPa;在风干状态下，抗拉强度为0.86±0.67MPa，弹性模量为0.12±0.07GPa;玉米秸秆的拉伸强度和弹性模量随节间位置升高而降低，随含水率的增加而增加，拉伸强度受到品种的一定影响，拉伸弹性模量却不受品种影响。秸秆内穰的拉伸强度，新鲜秸秆大于风干秸秆;而对于拉伸弹性模量，则为风干秸秆大于新鲜秸秆;节间位置和品种对内穰的拉伸强度和弹性模量无显著影响。离散元模型模拟结果表明:玉米秸秆外皮和内穰组织的离散元模型轴向拉伸力学特性曲线，以及破坏现象，均与测试特性相似;并分别获得外皮轴向模型主要力学性能参数bondstrength为85.64-131.11 Pa·m-1（新鲜秸秆）和80.53-113.42 Pa·m-1（风干秸秆），pb-kn为4.58×1013-1.05×1014 Pa·m-1（新鲜）和3.79×1013-6.97×1013 Pa·m-1（风干），以及内穰离散元模型的离散元参数kn为0.5×106-1.5×106 N· m-1（风干）和1.6×106-3×106 N· m-1（新鲜），ks为1.0×106 N· m-1，n-bond为5-30 N（风干）和35-50N（新鲜），s-bond为10-20N（风干）和40-50N（新鲜）。　　(4)建立了单根玉米秸秆的径向压缩力学特性离散元模型，同时进行了径向压缩测试与模拟结果的对比。模型的模拟结果表明:得出得到虚拟的载荷-位移曲线主要包括弹性阶段、破坏阶段和强化阶段，并分析了虚拟的压缩破坏现象和压缩过程中的微观力学响应;将测试结果与模拟结果对比分析，认为模型合理，与实际材料吻合，并通过模型分析出玉米秸秆受压状态时内部结合机理。　　(5)建立了单根玉米秸秆的弯曲力学特性离散元模型，同时进行了弯曲测试与模拟结果对比。模拟结果表明:弯曲力学特性曲线主要包括弹性阶段和粘弹性阶段，并分析了虚拟的弯曲破坏现象和压缩过程中的微观力学响应;将测试结果与模拟结果对比分析，认为模型合理，与实际材料吻合，并通过模型分析出玉米秸秆弯曲破坏时内部结合机理。　　(6)建立了多根玉米秸秆的打捆力学特性离散元模型，并进行虚拟打捆模拟与测试结果对比。打捆测试得到:捆扎密度与打捆松紧度的关系为二次曲线关系;秸秆打捆的绳索张力与捆扎直径的关系为指数函数关系。虚拟打捆模拟得到:虚拟打捆力学性能曲线与测试曲线相似;虚拟打捆模拟的载荷与圆捆半径呈现指数函数关系。测试结果与模型模拟趋势相同，表明离散元模型可用于玉米秸秆加工利用机械设计中的物料力学特性模拟。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 玉米秸秆力学特性研究进展

1．2．1 玉米秸秆力学特性国内研究进展

1．2．2 玉米秸秆力学特性国外研究现状

1．3 研究方法进展

1．3．1 试验测试法在玉米秸秆力学特性方面的研究进展

1．3．2 有限元模拟方法在秸秆力学特性方面的研究进展

1．3．3 离散元模拟方法在秸秆力学特性方面的研究进展

1．4 离散元方法概述

1．4．1 研究概述

1．4．2 离散元的基本理论

1．4．3 离散元计算软件PFC介绍

1．5 本文研究内容

第二章 玉米秸秆离散元模型基本参数

2．1 玉米茎秆直径测试

2．1．1 测试方法

2．1．2 测试结果与分析

2．2 玉米茎秆外皮壁厚的测试

2．2．1 测试方法

2．2．2 测试结果与分析

2．3 玉米茎秆维管束直径的测试

2．3．1 测试方法概述

2．3．2 测试方法

2．3．3 测试结果与分析

2．4 玉米茎秆密度的测试

2．4．1 测试方法

2．4．2 测量结果与分析

2．5 含水率的测试

2．5．1 测试方法

2．5．2 测试结果与分析

2．6 本章小结

第三章 玉米秸秆外皮轴向剪切离散元建模

3．1 外皮轴向剪切特性

3．1．1 测试仪器

3．1．2 测试材料

3．1．3 测试方法

3．1．4 测试结果

3．2 玉米秸秆外皮轴向剪切的离散元建模

3．2．1 玉米秸秆外皮剪切的离散元模型

3．2．2 离散元模型参数的校准

3．2．3 模型的参数

3．3 本章小结

第四章 玉米秸秆外皮和内穰拉伸的离散元建模

4．1 玉米秸秆外皮和内穰拉伸特性

4．1．1 测试仪器与材料

4．1．2 测试方法

4．1．3 外皮拉伸测试结果

4．1．4 内穰拉伸测试结果

4．2 玉米秸秆外皮轴向拉伸的离散元建模

4．2．1 玉米秸秆外皮拉伸的离散元模型

4．2．2 模型的参数校准

4．2．3 玉米秸秆外皮拉伸模型

4．3 玉米秸秆内穰轴向拉伸的离散元建模

4．3．1 玉米秸秆内穰拉伸的离散元模型

4．3．2 模型的参数确定

4．3．3 玉米秸秆内穰拉伸模型

4．4 本章小结

第五章 玉米秸秆径向压缩的离散元建模

5．1 本构理论分析

5．1．1 玉米秸秆的本构模型理论

5．1．2 径向压缩理论

5．2 径向压缩离散元建模

5．2．1 虚拟压缩试样

5．2．2 虚拟压缩测试

5．2．3 模型参数

5．2．4 模拟结果与分析

5．3 径向压缩模型的验证测试

5．3．1 测试仪器与材料

5．3．2 测试方法

5．3．3 测试结果与模拟结果对比分析

5．4 本章小结

第六章 玉米秸秆弯曲离散元模型建立

6．1 粘弹性本构理论分析

6．2 弯曲离散元模型研究

6．2．1 虚拟弯曲测试

6．2．2 模拟结果分析

6．3 弯曲模型的验证测试

6．3．1 测试仪器与材料

6．3．2 测试方法

6．3．3 测试结果与模拟结果对比分析

6．4．本章小结

第七章 离散元模型用于玉米秸秆打捆的分析

7．1 玉米秸秆打捆测试

7．1．1 打捆测试

7．1．2 秸秆铺放方式分析

7．1．3 打捆松紧度测试分析

7．2 玉米秸秆打捆力学测试

7．2．1 测试方法

7．2．2 测试结果

7．3 离散元模型虚拟打捆分析

7．3．1 虚拟打捆测试

7．3．2 模拟结果分析

7．4 打捆松紧度与载荷分析

7．5 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 进一步研究工作展望

参考文献

致谢

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