戴 飛，李興凱，韓正晟，張鋒偉，張雪坤，張 濤

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

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改進(jìn)壓痕加載曲線法測(cè)定小麥籽粒各組分硬度及其仿真驗(yàn)證

戴 飛，李興凱，韓正晟，張鋒偉，張雪坤，張 濤

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

摘要：為檢驗(yàn)谷物籽粒壓痕加載曲線法優(yōu)化改進(jìn)后對(duì)單個(gè)谷物籽粒硬度的測(cè)定效果，應(yīng)用改進(jìn)的壓痕加載曲線法對(duì)小麥品種西旱2號(hào)籽粒各組分(胚、胚乳、麥皮)的硬度進(jìn)行測(cè)定和分析。結(jié)果表明，含水率為15.6%的小麥籽粒各組分中麥皮硬度最大，硬度值為38.52～42.48 MPa，胚乳硬度次之(21.94～22.76 MPa)，胚的硬度最小(10.64～11.96 MPa)。運(yùn)用有限元法建立小麥籽粒各組分的力學(xué)模型，證實(shí)改進(jìn)壓痕加載曲線硬度檢測(cè)方法對(duì)小麥籽粒各組分硬度值的測(cè)定具有可行性，準(zhǔn)確性較高。

關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品；小麥；硬度；有限元分析方法；谷物組分

小麥籽粒各組分硬度值是小麥育種重要的參考指標(biāo)。提高小麥籽粒胚乳硬度可以減少種子儲(chǔ)運(yùn)及加工處理所產(chǎn)生的破碎,抵御蟲(chóng)害及病原菌的侵染。在早代對(duì)小麥育種材料籽粒各組分的硬度進(jìn)行測(cè)定和篩選，可加快品質(zhì)育種進(jìn)程[1-2]。另外，預(yù)先測(cè)定原料谷物及其各組分的硬度，對(duì)于及時(shí)調(diào)整制粉工藝流程和相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)、確定配谷物方案、保持流程的物料平衡和生產(chǎn)穩(wěn)定、提高生產(chǎn)效率等都具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義[3]。近年來(lái)，隨著糧食產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，籽粒硬度已逐漸成為世界各國(guó)區(qū)分糧食類(lèi)別和貿(mào)易等級(jí)的主要依據(jù)，同時(shí)也是谷物市場(chǎng)分類(lèi)定價(jià)的重要指標(biāo)[4]。目前，針對(duì)小麥籽粒整體硬度的研究和測(cè)定方法比較多，主要有硬度指數(shù)法、角質(zhì)率法、壓力法、研磨法、近紅外法等，這些方法均以研究谷物特定數(shù)量散粒體整體硬度性能及單籽粒整體硬度特性為衡量指標(biāo)，但皆不能對(duì)谷物單個(gè)籽粒表面不同部位以及籽粒內(nèi)部不同組成部分具體某個(gè)特定位置進(jìn)行硬度測(cè)定，且每種谷物硬度測(cè)定方法都有不同的衡量指標(biāo)，所測(cè)定的硬度值之間很難進(jìn)行橫向比較[5-6]。

目前有關(guān)谷物籽粒各組分硬度測(cè)定方法的研究報(bào)道較少。袁翠平等[7]研究了小麥籽粒硬度與其淀粉、蛋白質(zhì)等組分含量及胚乳顯微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；周麗慧等[8]通過(guò)研究稻米各組分在籽粒內(nèi)部的分布，對(duì)其碾磨特性進(jìn)行評(píng)價(jià)；張鋒偉等[5]應(yīng)用針尖壓入法測(cè)定了不同谷物籽粒及其內(nèi)部不同組分硬度，結(jié)合壓痕加載曲線研究了谷物籽粒物理特性，表明該類(lèi)硬度測(cè)定方法有較高的可靠性；葛建春等[9]應(yīng)用壓痕加載曲線方法測(cè)定了毛竹不同組成部位硬度值；張 濤等[10]結(jié)合仿真試驗(yàn)，研究和闡述了基于壓痕加載曲線測(cè)定方法下的谷物籽粒物理特性。本課題組前期研究表明，谷物壓痕加載曲線硬度測(cè)定法的相關(guān)作業(yè)參數(shù)(壓頭加載速度、壓入深度、待測(cè)試樣表面粗糙度)在一定范圍內(nèi)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)明顯影響，而壓頭錐度與籽粒硬度存在定量關(guān)系，即不同類(lèi)型加載壓頭對(duì)谷物籽粒硬度值測(cè)定的穩(wěn)定性有較顯著影響[5]。隨后，我們利用綜合評(píng)分法、響應(yīng)曲面分析法對(duì)壓痕加載曲線法的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了分析與優(yōu)化[11]。本試驗(yàn)在以前研究的基礎(chǔ)上對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的谷物壓痕加載曲線硬度法應(yīng)用效果在小麥上進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)壓頭加載過(guò)程中小麥籽粒不同組分硬度測(cè)定過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，以期為該方法的應(yīng)用推廣提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)通渭縣育種小麥試驗(yàn)站選育的小麥品種西旱2號(hào)為材料，試驗(yàn)選取粒大飽滿、無(wú)蟲(chóng)害與損傷、大小差異一致且形狀規(guī)則的西旱2號(hào)籽粒15粒，按照測(cè)定小麥籽粒胚、胚乳及麥皮部位硬度將其分為3組，每組5粒，即每個(gè)部位硬度測(cè)定時(shí)重復(fù)5次。

1.2測(cè)量?jī)x器與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)-SANS聯(lián)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用深圳SANS公司制造的CMT2502型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖1)，試驗(yàn)過(guò)程中該儀器可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示力、位移、變形、加載速度和試驗(yàn)曲線，具有曲線高級(jí)分析功能，能自動(dòng)判斷試驗(yàn)曲線各特征點(diǎn)(如線性段起始點(diǎn)和終止點(diǎn))，可自動(dòng)計(jì)算彈性模量等參數(shù)。

谷物壓痕加載曲線硬度測(cè)定法是將制好的試樣穩(wěn)放在試驗(yàn)機(jī)載物平臺(tái)上，壓頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)面，進(jìn)行壓入試驗(yàn)，并采集其對(duì)應(yīng)的壓痕加載曲線，通過(guò)計(jì)算加載曲線的斜率衡量谷物籽粒的硬度，獲得一個(gè)與該曲線斜率成正比的虛擬彈性模量數(shù)值HE。借助于虛擬彈性模量得到HE的物理意義，按統(tǒng)一縮放比例得到的谷物籽粒壓痕加載曲線的斜率，以反映育種小麥籽粒的硬度情況。而加載曲線自身及其斜率綜合反映試驗(yàn)過(guò)程中壓痕深度和施加載荷的變化情況[5]。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓頭類(lèi)型對(duì)于壓痕加載曲線的線性段起點(diǎn)、終點(diǎn)采集影響明顯；對(duì)于改進(jìn)前的圓錐型壓頭而言，其能夠很快進(jìn)行待測(cè)谷物內(nèi)部組分的硬度測(cè)定，但采集過(guò)程短暫，線性段起止點(diǎn)間的距離很小，不夠穩(wěn)定；相對(duì)于改進(jìn)前圓錐型壓頭所產(chǎn)生的壓痕加載曲線線性，45°三棱錐壓頭與45°四棱錐壓頭所產(chǎn)生的曲線平直度更好一些，四棱錐壓頭線性段起點(diǎn)的采集與三棱錐沒(méi)有明顯的差別，但其采集過(guò)程較長(zhǎng)，線性段起止點(diǎn)的距離較大，因此，四棱錐壓頭較三棱錐壓頭硬度測(cè)定相對(duì)更加穩(wěn)定。通過(guò)利用綜合評(píng)分法、響應(yīng)曲面分析法對(duì)壓痕加載曲線法作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。改進(jìn)后的壓痕加載曲線法最佳作業(yè)參數(shù)：加載速度為3 mm·min-1，壓入深度為0.1～0.2 mm(籽粒不同組分硬度測(cè)定，壓入深度不同)，壓頭類(lèi)型為45°四棱錐(圖1)[11]。

應(yīng)用改進(jìn)后的壓痕加載曲線法對(duì)小麥籽粒各組分硬度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)小鉛錘校核，將45°四棱錐壓頭垂直夾持到試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁端，并將其上端頂死，以確保壓頭受壓時(shí)，不產(chǎn)生縱向位移。試驗(yàn)時(shí)先用細(xì)紋銼刀將小麥籽粒待測(cè)部位磨平，等露出相應(yīng)的待測(cè)部位時(shí)再用400目砂紙細(xì)磨，形成待測(cè)面。試樣在制作時(shí)，盡量使待測(cè)面和底座面保持平行，并將底座面適當(dāng)磨大一些，以保證試樣受壓時(shí)的穩(wěn)定性，待測(cè)面制作時(shí)需保證待測(cè)部位有足夠的厚度。

由于胚在麥粒中僅占2%～3%[12-13]，試樣打磨難度相對(duì)較大，要選準(zhǔn)麥粒胚的部位(圖2a)，并沿麥粒軸線約45°角傾斜打磨，且壓頭扎入深度應(yīng)當(dāng)較淺一些(為0.1 mm)。為了與待測(cè)面保持平行，底座面也需要沿軸線傾斜打磨，制備試樣如圖2a、b所示。

圖1　試驗(yàn)儀器

小麥胚乳在籽粒中占70%～80%左右[12-13]，制作試樣相對(duì)簡(jiǎn)單，壓頭扎入深度可適當(dāng)較深一些(為2 mm)。只需將籽粒背面輕輕打磨后便可露出待測(cè)面，再將腹溝一側(cè)打磨成底座面并與待測(cè)面保持平行即可，制備試樣如圖3a、b所示。

小麥麥皮在麥粒中占有比例可達(dá)12%～14%[12-13]，在選擇麥皮待測(cè)面時(shí)，由于麥粒側(cè)面表皮光滑而無(wú)褶皺，故將側(cè)面選為麥皮的待測(cè)面；在制作試樣時(shí)，為避免底座面受擠壓時(shí)麥粒腹溝部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將麥粒沿腹溝切成兩半，將切割面打磨后成為底座面，此時(shí)側(cè)面則直接成為待測(cè)面，不再作打磨處理，制備試樣如圖4a、b所示。

圖2　小麥胚試樣

圖3　小麥胚乳試樣

圖4　小麥麥皮試樣

2結(jié)果與分析

2.1小麥籽粒不同部位的硬度特點(diǎn)

2.1.1胚硬度

由于胚在整體小麥籽粒中占有比例較小，壓入深度控制在0.1 mm為宜。由試驗(yàn)結(jié)果看，小麥籽粒胚的硬度在10.64～11.96 MPa之間，壓痕加載曲線線性段起點(diǎn)載荷基本保持在0.197 N，線性段終點(diǎn)載荷基本保持在1.046 N(表1)，相關(guān)壓痕加載曲線整體線性穩(wěn)定(圖5)。

2.1.2胚乳硬度

圖6為西旱2號(hào)育種小麥胚乳部位硬度載荷壓痕曲線。由試驗(yàn)結(jié)果(表2)可以看出，當(dāng)壓入深度控制在0.2 mm時(shí)，小麥籽粒胚乳的硬度在21.94～22.76 MPa之間，壓痕加載曲線線性段起點(diǎn)載荷基本保持在0.326 N，線性段終點(diǎn)載荷基本保持在4.145 N，其曲線斜率高于胚硬度載荷壓痕曲線。

表1　小麥籽粒胚硬度測(cè)定結(jié)果

(1)～(5)：試樣號(hào) Sample code

參數(shù)Parameter試樣號(hào)Samplecode12345平均Mean線性段起點(diǎn)載荷Linearsegmentstartingpointload/N0.3230.3180.3310.3420.3140.326線性段終點(diǎn)載荷Linearsegmentterminalpointload/N4.4114.5673.6043.9584.1834.145硬度 Hardness/Mpa21.9421.9622.3522.5822.7622.318

(1)～(5)：試樣號(hào) Sample code

2.1.3麥皮硬度

圖7為西旱2號(hào)育種小麥麥皮部位硬度載荷壓痕曲線。當(dāng)壓入深度控制在0.1 mm時(shí)，小麥籽粒麥皮的硬度在38.52～42.48 MPa之間(表3)，壓痕加載曲線線性段起點(diǎn)載荷基本保持在0.395 N，線性段終點(diǎn)載荷基本保持在4.144 N，其曲線斜率均高于胚、胚乳硬度載荷壓痕曲線。

表3　小麥籽粒麥皮硬度測(cè)定結(jié)果

(1)～(5)：試樣號(hào) Sample code

由西旱2號(hào)小麥籽粒的胚、胚乳、麥皮硬度值測(cè)定及其相關(guān)壓痕加載曲線斜率可以看出，在同一含水率下(15.6%)，小麥籽粒組分中麥皮硬度最大，其次是胚乳和胚。小麥麥皮硬度值約分別是胚乳和胚的3.55倍和1.77倍，三者的硬度值比基本接近3∶2∶1。對(duì)于胚及胚乳而言，其所對(duì)應(yīng)的壓痕加載曲線線性相對(duì)穩(wěn)定，而麥皮所對(duì)應(yīng)的線性不太理想，主要是由于小麥麥皮待測(cè)部位呈半球面微量凸起狀，且其纖維素含量較高所致，使得壓頭在壓入過(guò)程中產(chǎn)生流變滑移現(xiàn)象[14]。

2.2小麥籽粒硬度特性有限元驗(yàn)證

2.2.1小麥籽粒的幾何模型

將小麥籽粒簡(jiǎn)化為具有固體性質(zhì)、各組分局部均勻的線彈性材料，其形狀簡(jiǎn)化為橢球體(圖8a)[15-16]。橢球體的長(zhǎng)軸為6 mm，短軸為3 mm，沿長(zhǎng)軸方向切出深為1.75 mm、寬為0.1 mm的腹溝。根據(jù)實(shí)際小麥籽粒各組分硬度測(cè)定試樣制作過(guò)程，分別對(duì)其胚、胚乳及麥皮進(jìn)行建模(圖8b、c和d)。

圖8　小麥籽粒及各組分的幾何模型

2.2.2小麥籽粒的有限元分析

網(wǎng)格劃分：運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench分析小麥籽粒各組分硬度性能。由于采用的有限元模型為彈性橢球體，網(wǎng)格劃分選用Mechanical物理參照類(lèi)型。設(shè)置Relevance Center(相關(guān)性中心)為Medium，Initial Size Seed(初始化尺寸種子)為Part，Smoothing(平滑度)為L(zhǎng)ow，Span Angle Center(跨度中心角)為Medium。材料屬性相關(guān)彈性模量根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)確定，其中小麥籽粒胚的彈性模量取11 MPa，泊松比為0.4；胚乳彈性模量取22 MPa，泊松比為0.36；麥皮彈性模量取40 MPa，泊松比為0.33[14,17-18]。

施加載荷：根據(jù)加載試驗(yàn)的方法，在待測(cè)面的中心施加垂直于待測(cè)面的集中力，為更加真實(shí)模擬硬度測(cè)定過(guò)程，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)，各測(cè)試模型施加壓入力的大小均為100 N。將錐型壓頭分別與胚、胚乳、表皮測(cè)試模型進(jìn)行裝配，裝配配合時(shí)將壓頭錐尖設(shè)置在加載部位的中心，壓入深度分別為0.1、0.2和0.1 mm(圖9a、b、c)。

圖9　小麥籽粒各組分施加載荷

圖10　小麥籽粒各組分硬度測(cè)定位移云圖

圖11　小麥籽粒各組分硬度測(cè)定應(yīng)力云圖

3結(jié)果與驗(yàn)證分析

對(duì)小麥籽粒各組分模型進(jìn)行有限元分析之后，得到各測(cè)試模型在四棱錐壓頭不同載荷加載作用下的位移、應(yīng)力分析云圖(圖10和圖11)，可以直觀清晰地觀察模型在加載后的位移、應(yīng)力變化。

由圖10可以看出，小麥籽粒各組分硬度測(cè)定時(shí)均有縱向位移的微量變化。其中，胚在硬度測(cè)定時(shí)受到軸向載荷作用后其位移變化量(1.23 mm)大于胚乳(0.33 mm)、麥皮(0.77 mm)，表明在籽粒各組分硬度測(cè)定時(shí)保證底座面與待測(cè)面保持平行幾何關(guān)系的精細(xì)研磨處理是非常關(guān)鍵的，將對(duì)小麥籽粒各組分硬度值測(cè)定的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響。

由圖11可以看出，小麥籽粒各組分硬度測(cè)定時(shí)應(yīng)力均發(fā)生變化。其中，胚在硬度測(cè)定時(shí)應(yīng)力變化范圍為0.066～12.89 MPa，胚乳在硬度測(cè)定時(shí)應(yīng)力變化范圍為0.159～22.75 MPa，麥皮在硬度測(cè)定時(shí)應(yīng)力變化范圍為0.151～39.83 MPa。各組分硬度測(cè)定時(shí)的應(yīng)力值范圍也說(shuō)明麥皮硬度最大，其次是胚乳和胚，這與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果相吻合，表明該硬度測(cè)定方法是可行的。

4討 論

本研究以含水率為15.6%的西旱2號(hào)育種小麥為試驗(yàn)材料，通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)作業(yè)參數(shù)的壓痕加載曲線法對(duì)小麥籽粒各組分硬度進(jìn)行測(cè)定，得到小麥各組分中麥皮硬度最大，為38.52～42.48 MPa；其次是胚乳，其硬度值為21.94～22.76 MPa；胚的硬度最小，為10.64～11.96 MPa；與文獻(xiàn)基于壓痕加載曲線谷物籽粒硬度性能測(cè)定技術(shù)得到的谷物硬度在2～75 MPa范圍內(nèi)的結(jié)論相吻合[5]。本研究對(duì)張 濤等[10]提出該測(cè)定方法在不同作業(yè)參數(shù)作用下的試驗(yàn)重復(fù)性與可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)，借助有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)小麥籽粒各組分硬度性能進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)各組分硬度測(cè)定過(guò)程中相應(yīng)位移、應(yīng)力變化云圖模擬及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了改進(jìn)壓痕加載曲線硬度檢測(cè)方法的可行性及其對(duì)應(yīng)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本研究在試驗(yàn)過(guò)程中僅選定了含水率為15.6%的單一小麥籽粒，沒(méi)有在試驗(yàn)中明確探討谷物含水率是否會(huì)對(duì)改進(jìn)壓痕加載曲線法測(cè)定效果產(chǎn)生顯著影響，將在今后的研究中增加不同含水率下的試驗(yàn)樣本種類(lèi)，完成各組分硬度測(cè)定。由于借助有限元法僅能獲得小麥籽粒各組分硬度測(cè)定過(guò)程中相應(yīng)位移、應(yīng)力變化云圖，只能驗(yàn)證所測(cè)谷物各組分的硬度值，而無(wú)相應(yīng)壓痕加載試驗(yàn)曲線產(chǎn)生。因此，在有限元仿真試驗(yàn)中，改進(jìn)前、后的壓痕曲線法測(cè)定效果還無(wú)法實(shí)現(xiàn)明顯的橫向?qū)Ρ?，需要在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步研究完善。

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Hardness Measurement and Simulation Verification of Wheat Components Based on Improving Indentation Loading Curve Method

DAI Fei,LI Xingkai,HAN Zhengsheng,ZHANG Fengwei,ZHANG Xuekun,ZHANG Tao

(School of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou,Gansu 730070,China)

Abstract:Hardness measurement of the wheat various components is an important reference for breeding selection and adjustment the milling process. The indentation loading curve method could achieve accurate measurement for different parts of the grain surface and different components of internal grain. This study applied the improved indentation load curve method to measure the hardness of wheat components (embryo,endosperm and bran) of wheat cultivar Xihan 2 under the moisture content of 15.6%,the hardness of bran among various wheat components was the largest,with hardness value ranges of 38.52-42.48 MPa. The hardness of endosperm was between the bran and embryo,with hardness value of 21.94-22.76 MPa. The minimum hardness was observed in embryo,which ranged as 10.64-11.96 MPa. The mechanical model of wheat components was established by the finite element method,and verified the feasibility and accuracy of the hardness measurement of the wheat various components based on the improved indentation loading curve.

Key words:Agricultural products; Wheat; Hardness; Finite element method; Grain components

中圖分類(lèi)號(hào)：S512.1；S318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-1041(2016)03-0347-08

通訊作者：張鋒偉(E-mail: zhangfw@gsau.edu.cn)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365003)

收稿日期：2015-10-10修回日期：2015-11-11

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160301.1343.026.html

第一作者E-mail: daifei@gsau.edu.cn