实芯植物秸秆的力学模型及受压缩状态应力分析研究

实心植物秸秆的物理结构不同于空心植物秸秆,它具有充满植物内腔的实心物质,且其节在空间上是圆盘结构而不同于空心植物的圆环状节,这些结构上的不同之处决定了其特有的力学特性。由于农业生产和加工中许多农业作物具有实心秸秆结构,因此有必要对这类植物秸秆的力学特性加以研究。 对于植物秸秆力学特性的研究有诸多方面的讨论,如植物秸秆的弯曲稳定性讨论:植物秸秆抗倒伏性能的讨论等等。本文以甘蔗秸秆为研究对象,对实心植物秸秆在沿轴向分布的横向均布载荷作用下的力学性能加以研究,讨论实心秸秆在各种状态下的力学行为变化情况。通过对实际植物秸秆结构的分析,建立了通用的力学分析模型。将实心植物秸秆抽象为具有皮、芯、节结构的杆,且各组成部分均为横观各向同性材料。然后利用弹性理论和复合材料力学理论进行理论分析,得到了由位移表达的平衡方程组,该方程组为二阶线性偏微分方程组。通过对不同的偏微分方程解法特点的分析对比,确定了有限元方法为数值分析方法。 材料参数是数值分析的重要数据,本文通过对甘蔗秸秆不同组分进行简单拉伸或压缩试验测得了材料的主要弹性参数。对于不便测量的参数则通过比拟的方法加以选定。在数据处理过程中,使用了依据最小二乘原理的曲线拟合方法,从而得到了材料参数较准确的范围。此外,本文对于甘蔗秸秆的整体压缩性能也有所论述,用以与数值方法所得结果进行比较。本文对于材料的试验破坏形式也进行了适当的说明。 在数值计算过程中,通过对结构、约束及载荷的适当简化,得到了甘蔗秸秆应力应变及位移变化分布情况,为讨论甘蔗秸秆的压缩特性奠定了基础。通过对不同材料参数、不同载荷、不同轴向约束情况、有节无节及节间距等因素对甘蔗秸秆压缩性能影响的讨论,可以看到不同因素对甘蔗秸秆压缩性能的影响程度和趋势是明显不同的,其中以是否有节影响最为明显,其次为芯的横向弹性模量的影响。 本文通过对甘蔗秸秆压缩性能的讨论,给出了一种适用的从模型建立到理论分析、从参数测量到数值计算的研究方法,为其他材料、结构的分析研究提供了有益的参考。