王 洋,張國忠*,涂 鳴,侯群喜,董 昭
(1. 華中農(nóng)業(yè)大學工學院,武漢 430070;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,武漢 430070)
蓮藕是一種喜肥耐肥的水生蔬菜,生長期間需要2~3次追肥,由于蓮藕生長在積水較深的洼地,底部被淤泥覆蓋,且后期由于荷葉特殊的生長狀態(tài)造成田間封行,機具無法下田作業(yè),目前追肥形式主要為人工撒施[1-3],效率低、肥料分布的均勻度差[4-6];傳統(tǒng)撒肥機具有較大作業(yè)幅寬和良好撒肥均勻性[7-11],但由于存在肥料顆粒被拋送速度過大從而導致荷葉損傷和對蓮藕后期生長造成影響的問題,限制了其在藕田施肥作業(yè)中的應用。此外,荷葉可被生產(chǎn)成荷葉茶或作為環(huán)保包裝材料,具有較高商業(yè)價值,一旦損傷其經(jīng)濟價值急劇下降。為此,探究荷葉的力學特性及其抵抗外部沖擊損傷能力的研究具有重要實際應用價值,但迄今為止對此方面的研究較少。查閱文獻顯示,國內(nèi)外學者圍繞減少農(nóng)產(chǎn)品損傷開展了一些研究。如林燕萍等[12]、張妍等[13]和潘周光[14]對茶葉等葉狀物料開展了拉伸與剪切等力學特性研究。針對塊狀農(nóng)業(yè)物料,盧立新等[15]介紹了果品擠壓和碰撞過程中的損傷機理,陳海濤等[16]和趙榮軍等[17]分別以蘿卜與杉木為對象進行了拉伸試驗,孫偲等[18]、陳燕等[19]、陳子林等[20]和胡夢杰等[21]對分別以山核桃、荔枝、荸薺及棉花種子為研究對象開展了壓縮試驗以測試物料在不同試驗條件下的抗壓能力,張濤[22]探究了谷物顆粒抵抗針尖穿刺破壞、剪切破壞的能力,桑永英等[23]和李曉軍等[24]分別開展了馬鈴薯的碰撞強度試驗及其莖稈的切割強度試驗?,F(xiàn)有文獻雖然關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品力學特性的研究較多,但對與荷葉相關(guān)的物料特性方面的研究極少。本研究在參考已有對橘皮等物料特性研究的文獻基礎上[25-26],對荷葉進行了力學特性試驗,以探究不同成熟度的荷葉抵抗拉伸和穿刺損傷的能力,并根據(jù)拉伸曲線計算得到不同部位和成熟度荷葉的彈性模量;利用ANSYS仿真軟件對荷葉進行拉伸與沖擊仿真,對比仿真與試驗的拉伸曲線誤差,分析荷葉在受到不同速度和不同部位的肥料沖擊時沖擊力的變化情況以及荷葉表面的應力分布特征。
選用表面無損傷無病害的“鄂蓮一號”荷葉,采自湖北省武漢市洪山區(qū),采摘時間為2020年7月底。由于荷葉水分易揮發(fā),故僅使用當天采摘的鮮荷葉作為試驗材料,并在密封狀態(tài)下保存。采摘期為藕田終止葉出現(xiàn)。對荷塘中不同成熟度的荷葉分別采樣,將其按成熟度分類,分別為嫩葉(直徑30~40 mm,色黃綠,質(zhì)嫩)、近熟葉(直徑稍小于熟葉,色黃綠,質(zhì)稍嫩)和熟葉(直徑不再增加,色綠)。將用于試驗的不同成熟度荷葉沿徑向等分為內(nèi)外側(cè)兩部分,如圖1所示。
圖1 荷葉的徑向分割Figure 1 Divided Lotus leaf along radial direction
拉伸、穿刺試驗在美國TFC公司研制的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀上進行,其量程為0~1 000 N,精度為±1%;水分測定采用浙江賽德儀器設備有限公司生產(chǎn)的SDH-1202快速鹵素水分測定儀。葉片厚度測量采用美耐特公司MNT游標卡尺。
1.3.1 拉伸試驗 查閱相關(guān)參考文獻[27-28]可知,物料的彈性模量會影響沖擊過程中沖擊力的大小,進而影響物料受損狀況,故利用拉伸試驗對荷葉彈性模量值進行測量。試驗采用TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀,使用試驗儀器自帶鋼制夾具。為防止荷葉物料在夾具邊沿斷裂,在夾具內(nèi)部粘貼少量泡沫膠帶。
荷葉葉片主要由表皮、掌狀網(wǎng)型葉脈與葉肉組成,由前期預試驗結(jié)果得知,葉面強度小于葉面與葉脈連接處的強度,當肥料顆粒碰撞荷葉時,葉面最先破壞。故在進行拉伸試驗時應使上下夾具之間的樣本部分不包含葉脈。
以成熟度(嫩葉、近熟葉和熟葉)、部位(葉面內(nèi)側(cè)和葉面外側(cè))和拉伸方向(沿葉脈方向和垂直葉脈方向)為因素開展拉伸試驗。樣本為長×寬50 mm×15 mm的矩形葉片,首先使用游標卡尺測量并記錄葉片厚度以計算其截面積A的值,后將樣本兩端分別固定在質(zhì)構(gòu)儀特定夾具上,如圖2所示,調(diào)整夾具相對位置使樣本處于伸直狀態(tài),測量中間部位長度L并記錄,設定加載速度20 mm·min-1,加載位移10 mm,樣品在夾具中間位置斷裂為有效,在其根部斷裂無效。將試驗數(shù)據(jù)保存用以后續(xù)處理。每組試驗重復5次,求平均值。彈性模量計算公式為:
圖2 拉伸試驗Figure 2 Tensile test
式中,E代表彈性模量;σ為拉伸樣本產(chǎn)生的應力,MPa;ε為沿拉伸方向的變形率;F為拉伸產(chǎn)生的應力,N;A為樣本橫截面積,mm2;L為夾具間樣本長度,mm;△L為樣本伸長量,mm。
1.3.2 荷葉穿刺試驗 實際撒肥試驗中發(fā)現(xiàn),肥料顆粒高速沖擊下荷葉破損處的形狀與穿刺造成的損傷形狀相似,故進行穿刺試驗測量不同成熟度和部位荷葉物料的穿刺破裂力,以此反映荷葉葉面的強度,每組試驗重復5次。參考大顆粒尿素的顆粒直徑和形狀,采用3D打印機將穿刺刀具的頭部設計為直徑3 mm的球形頭。以成熟度和部位為試驗因素,試驗樣本仍為長×寬為50 mm×15 mm的矩形葉片,將其放置于特制夾具平臺上,平臺中心開有圓孔以便穿刺刀具通過,擰緊緊固螺栓將物料兩端夾緊,設置穿刺刀具下降速度為20 mm·min-1,下降距離10 mm,刀具在刺穿荷葉的過程中受到的最大阻力即為破裂力(圖3)。
圖3 穿刺試驗Figure 3 Puncture test
1.3.3 肥料沖擊荷葉有限元仿真 為進一步研究荷葉在肥料撞擊下的損傷特點,使用ANSYSLSDYNA軟件模擬沖擊過程。首先采用ANSYS軟件仿真荷葉物料拉伸試驗并與實際試驗曲線進行比較,以確保材料設置的準確性,使用該材料構(gòu)建荷葉模型對碰撞過程進行模擬,分析荷葉表面的應力分布情況。選取表面無明顯病蟲害的近熟葉為仿真對象,測量其直徑、高度和錐面角等尺寸,利用SolidWorks軟件繪制三維模型并將其簡化為貼合外葉面的錐形,以防止荷葉表面褶皺對沖擊的方向產(chǎn)生影響(圖4)。
圖4 荷葉三維模型Figure 4 Three dimensional model of lotus leaf
運用ANSYS Workbench-LSDYNA,對肥料沖擊荷葉進行模擬,泊松比取0.4[29],彈性模量、厚度與密度分別取近熟葉內(nèi)外側(cè)試驗測得的結(jié)果。選取尿素顆粒肥料,彈性模量、密度和泊松比分別為28 MPa、1 335 kg·m-3和0.4[7]。由于速度一定時沖擊力的大小由作用時間決定,作用時間與模型固定方式直接相關(guān),故模型仿照實際荷葉狀態(tài),在葉面與莖稈連接處進行固定約束。
表1為不同成熟度、部位、拉伸方向下彈性模量E和最大拉力F的平均值,利用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果如表2所示;可知成熟度對彈性模量的影響顯著(0.01<P<0.05),部位對彈性模量的影響極顯著(P<0.01),這是由于農(nóng)業(yè)物料彈性模量、硬度與其含水率有密切聯(lián)系。經(jīng)測量,嫩葉、近熟葉和熟葉的外側(cè)部分平均含水率分別為70.1%、73.4%和59.8%,內(nèi)側(cè)部分平均含水率分別為76.0%、73.5%和72.4%,熟葉外側(cè)的含水率相對較低,其硬度和彈性模量較高,與玉米等農(nóng)產(chǎn)品的力學參數(shù)與含水率的關(guān)系相似[30],荷葉的彈性模量增加,相同沖擊速度下更易受到較大的沖擊力。同時由表2可以看出各試驗因素對荷葉能夠承受拉伸的能力影響均不顯著。
表1 荷葉拉伸試驗結(jié)果Table 1 Results of lotus leaf tensile test
表2 方差分析Table 2 Analysis of variance
圖5為荷葉拉伸力與變形特性曲線。比較圖5(a)和圖5(b)可看出,相同拉伸方向下不同成熟度的荷葉內(nèi)側(cè)拉伸曲線較為相似,說明荷葉在生長期間內(nèi)側(cè)物料特性變化不大;比較圖5(c)和圖5(d)顯示嫩葉與近熟葉的外側(cè)拉伸曲線較為相似,與熟葉拉伸曲線差別較大,這是由于荷葉生長后期外側(cè)葉面的含水率明顯降低導致。綜合比較圖5可以發(fā)現(xiàn),荷葉在拉伸斷裂之前物料變形量與拉力之間近似呈線性關(guān)系,發(fā)生彈性變形,當變形量達到一定值時出現(xiàn)斷裂,沒有明顯的塑性變形階段。
圖5 拉伸曲線Figure 5 Tensile curve
表3為不同成熟度和部位的荷葉受到穿刺破壞時的平均最大穿刺力。
表3 荷葉物料穿刺試驗Table 3 Puncture test of lotus leaf materials N
由表4可知,部位對荷葉抵抗穿刺破壞的能力影響顯著(0.01<P<0.05),成熟度對荷葉抵抗穿透能力影響不顯著(P>0.05);內(nèi)側(cè)物料抵抗穿刺破壞的能力較強,且彈性模量較外側(cè)小。
表4 方差分析Table 4 Analysis of variance
首先使用Ansys-Workbench的Static Structural模塊進行荷葉物料的靜力學拉伸試驗,在材料庫Enginerring Data中添加荷葉材料,根據(jù)實際拉伸特性曲線設置材料類型為Linear Elastic下的Isotropic elasticity,根據(jù)近熟葉內(nèi)外側(cè)部位的實際測量結(jié)果設置密度和彈性模量等相關(guān)參數(shù),泊松比參考相關(guān)文獻取0.4[30]。
在Workbench DM中將物料三維模型劃分網(wǎng)格后一端固定,另一端施加拉力,設置10個時間子步,總時長3 s,添加等效應力應變后求解。
根據(jù)仿真結(jié)果利用Excel軟件繪制拉力-位移曲線,并與實際拉伸曲線相比較,結(jié)果如圖7所示,可以看出在荷葉出現(xiàn)斷裂之前拉伸曲線基本一致,試驗值與仿真值之間的最大和最小誤差分別為14%和3%,說明在斷裂之前的變形階段模型參數(shù)與實際物料參數(shù)相符合,使用實際測量得到的物料特性參數(shù)建模可以反映出荷葉物料的力學特征。
圖6 Ansys靜力學仿真Figure 6 ANSYS static simulation
圖7 仿真與實測拉伸曲線對比Figure 7 Comparison of simulated and measured tensile curves
圖8 Ansys LSDYNA沖擊仿真圖Figure 8 Ansys LSDYNA impact simulation diagram
應用ANSYS-LSDYNA軟件對沖擊過程進行仿真,將荷葉物料分為內(nèi)外側(cè),其彈性模量和密度根據(jù)前期實際測量分別設置為6.5 MPa、1 025 kg·m-3和4.5 MPa、1 356 kg·m-3,在荷葉中心添加固定約束,內(nèi)外側(cè)部分以bonded形式連接,使肥料顆粒以13 m·s-1的速度垂直沖擊荷葉表面,劃分網(wǎng)格后求解。
將結(jié)果導入后處理軟件LS-PrePost分析荷葉受到肥料撞擊時表面應力分布特點,如圖9(a)所示,以肥料撞擊點為中心,共取5個點觀察其應力大小及變化情況。由圖9(c)可看出,撞擊點A處的等效應力最大,繞A點沿徑向分布的點B和點C所受等效應力值大于垂直于徑向的點D與點E的值,且點B的值大于點C,即以撞擊點為中心,應力主要沿徑向分布且外側(cè)受力較內(nèi)側(cè)大。由拉伸試驗可知荷葉表面承受最大拉力的值與方向無關(guān),故可推測當碰撞使荷葉表面發(fā)生破裂時,裂紋較易向受較大應力的徑向外側(cè)部位擴展,圖9(b)為實際撒肥測試中荷葉表面受損情況,圖中共3處破損點,其中1和2處均為穿透破壞,且裂紋方向均沿徑向擴展,與推測一致,故該仿真的應力分布與實際相符。
圖9 單一部位沖擊仿真分析Figure 9 Single part impact simulation analysis
對近熟葉內(nèi)外側(cè)部位進行不同速度的沖擊仿真,并統(tǒng)計沖擊點應力變化情況如圖10所示,在4~13 m·s-1的速度范圍內(nèi),外側(cè)沖擊點的最大等效應力基本呈線性變化,內(nèi)側(cè)沖擊點的應力在4~10 m·s-1的速度范圍內(nèi)增加較慢,10~14 m·s-1的速度范圍內(nèi)最大應力值增加較快,這是由于內(nèi)側(cè)距離固定點(莖稈)的距離較近,當速度增大時碰撞的作用時間變化更大。綜合比較內(nèi)外側(cè)沖擊曲線,在4~13 m·s-1的范圍內(nèi),相同速度下外側(cè)沖擊點所受應力大于內(nèi)側(cè)沖擊點所受應力,這是由于荷葉外側(cè)彈性模量較內(nèi)側(cè)大,在肥料顆粒速度較低,荷葉變形不明顯的情況下,彈性模量越小其碰撞的作用時間越短,但當速度超過一定值時,撞擊造成的荷葉表面晃動減小了外側(cè)部位的沖擊,但對內(nèi)側(cè)部位作用不明顯,導致內(nèi)側(cè)所受沖擊力明顯增加。
圖10 不同速度最大應力變化仿真Figure 10 Simulation of maximum stress change at different speeds
荷葉物料特性研究目前缺乏研究,可供參考的文獻研究極少,因此,在查閱文獻、參考其他物料特性試驗研究的基礎上對不同成熟度荷葉力學特性試驗研究。通過對不同成熟度的荷葉物料進行拉伸試驗,測得了3種成熟度的荷葉內(nèi)外側(cè)部位彈性模量為2.53~7.45 MPa,最大拉力為2.65~5.02 N,試驗結(jié)果表明試驗部位對荷葉彈性模量的影響極顯著(0.01<P<0.05),對荷葉抵抗穿刺破壞的能力影響顯著(0.05<P<0.1);成熟度對荷葉彈性模量的影響顯著(0.01<P<0.05),對其抵抗穿刺的能力影響不顯著(P>0.05)。拉伸方向?qū)扇~彈性模量影響不顯著(P>0.05)。荷葉物料拉伸曲線顯示其斷裂前做線彈性變形,說明荷葉是一種彈性較強的物料。
由于不同成熟度的荷葉其內(nèi)側(cè)部位的彈性模量較外側(cè)部位小,故碰撞作用時間長,且內(nèi)側(cè)物料具有較強的抵抗穿刺的能力,故相同速度的肥料顆粒撞擊且荷葉無明顯晃動時,外側(cè)首先出現(xiàn)損傷;但是當肥料顆粒速度較大使荷葉明顯晃動時,由于荷葉內(nèi)側(cè)的緩沖能力小于外側(cè),損傷逐漸向內(nèi)側(cè)發(fā)展。
利用ANSYS有限元軟件模擬荷葉物料拉伸試驗,實際值與模擬值的最大和最小誤差分別為14%和3%,表明根據(jù)實際試驗測得的物料參數(shù)構(gòu)建的模型較為準確,使用ANSYS-LSDYNA模塊對荷葉表面進行沖擊仿真,根據(jù)其表面應力分布情況推測當肥料顆粒撞擊荷葉表面引起損傷時,裂紋方向主要以撞擊點為中心,沿徑向向外側(cè)擴展,與實際撒肥試驗中荷葉表面損傷情況較為一致。根據(jù)對荷葉不同部位的沖擊仿真試驗曲線結(jié)合物料試驗數(shù)據(jù)可知:在沖擊速度較低時,損壞首先出現(xiàn)在荷葉外側(cè),隨著沖擊速度的升高,破損向內(nèi)側(cè)發(fā)展。上述研究結(jié)果可為荷葉加工利用以及藕田撒肥機設計和作業(yè)參數(shù)選擇提供理論參考。