由于棉稈具有硬度大、纖維多以及含水率低的特點，其結(jié)構和力學特性相較于其他農(nóng)作物秸稈有較大差異，導致膜稈混合物在切碎過程中易出現(xiàn)秸稈切碎不均、切碎阻力較大等問題，嚴重制約了膜稈混合物機械化切碎、分離技術的發(fā)展。因此，膜稈混合物中棉稈的生物力學特性分析對于膜稈混合物切碎、分離機理的研究和相應裝備的開發(fā)具有重要的參考意義。目前機收膜稈混合物中棉稈的生物力學特性以及非線性破壞力學和變形破壞機理研究較少，機收膜稈混合物中棉稈受力變形過程的微觀力學建模與仿真分析尚屬于空白。
近日，新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院謝建華教授團隊在Scientific Reports發(fā)表了題為“Discrete element modeling and experimental study of biomechanical properties of cotton stalks in machine-harvested film-stalk mixtures”的研究論文。采用仿真試驗和物理試驗相結(jié)合的方法，對棉稈的生物力學特性進行了分析和研究，并通過物理試驗測試結(jié)果，分析棉稈在拉伸、壓縮、彎曲以及剪切作用下的力學特性，利用PFC3D仿真軟件建立棉稈的離散元模型，并根據(jù)物理試驗結(jié)果，對棉稈離散元模型的細觀參數(shù)進行了標定，為膜稈混合物的切碎機理分析、切碎裝備的設計提供理論基礎，同時也為其他莖稈類物料的離散元建模、生物力學特性的分析提供參考。
圖1 棉稈力學試驗及F-x曲線
通過萬能材料試驗機對膜稈混合物中的棉稈進行了拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗，通過試驗結(jié)果分析，得到了棉稈的力學變化規(guī)律以及在不同加載方式下的F-x曲線變化規(guī)律。
對棉稈離散元模型中的最佳仿真參數(shù)組合進行了壓縮驗證試驗、三點彎曲驗證試驗以及剪切驗證試驗，并提取相應的F-x曲線，試驗結(jié)果表明仿真試驗和物理試驗過程中棉稈的破壞特性是一致的，各項參數(shù)選標定的方法合理，所得到的棉稈離散元模型可以準確地表征棉稈的生物力學性能。
圖2物理試驗與仿真試驗中棉稈的壓縮變形過程及F-x曲線
圖3物理試驗與仿真試驗中棉稈的壓縮變形過程及F-x曲線
圖4物理試驗與仿真試驗中棉稈的剪切變形過程及F-x曲線
新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院謝建華教授為通訊作者，博士研究生張佳為第一作者。該研究得到自治區(qū)重點研發(fā)專項（2022B02046、2022B02017-3）、自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項目（XJ2024G104）的支持。
