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(gòu)和力學(xué)特性相較于其他農(nóng)作物秸稈有較大差異,，導(dǎo)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(yán)重制約了膜稈混合物機械化切碎,、分離技術(shù)的發(fā)展。因此,，膜稈混合物中棉稈的生物力學(xué)特性分析對于膜稈混合物切碎,、分離機理的研究和相應(yīng)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(xué)特性以及非線性破壞力學(xué)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(xué)建模與仿真分析尚屬于空白,。
近日，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院謝建華教授團(tuán)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(xué)特性進(jìn)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(xué)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(xì)觀參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,，為膜稈混合物的切碎機理分析、切碎裝備的設(shè)計提供理論基礎(chǔ),，同時也為其他莖稈類物料的離散元建模,、生物力學(xué)特性的分析提供參考。
圖1 棉稈力學(xué)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(jìn)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(xué)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(jìn)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(yīng)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(biāo)定的方法合理,，所得到的棉稈離散元模型可以準(zhǔn)確地表征棉稈的生物力學(xué)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(xué)機電工程學(xué)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,。
