冬季覆蓋地膜的拉伸試驗(yàn)及有限元仿真分析

楊業(yè)龍，葉云霞，謝建華，曹曉冉，孫超偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊　830052)

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冬季覆蓋地膜的拉伸試驗(yàn)及有限元仿真分析

楊業(yè)龍，葉云霞，謝建華，曹曉冉，孫超偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊830052)

摘要：通過(guò)對(duì)冬季覆蓋厚度為0.006mm 的聚乙烯殘地膜縱向、橫向和直角撕裂拉伸負(fù)荷，以及斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能的測(cè)試，獲得了殘地膜力學(xué)本構(gòu)特性。利用有限元軟件ANSYS對(duì)拾膜桿齒撿膜時(shí)地膜的變形和應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行仿真和分析。結(jié)果表明：冬季覆蓋地膜縱向的拉伸強(qiáng)度大于橫向的拉伸強(qiáng)度和直角撕裂的拉伸強(qiáng)度；拾膜時(shí)，桿齒端部的地膜變形最大，應(yīng)力應(yīng)變最大值都發(fā)生在與桿齒中部接觸的地膜處。

關(guān)鍵詞：殘地膜；力學(xué)性能；ANSYS；有限元

0引言

地膜具有保溫、保墑和抑制雜草生長(zhǎng)等作用，給農(nóng)作物生長(zhǎng)提供了一個(gè)良好的小氣候環(huán)境，地膜覆蓋技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了很大的效益[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求和氣候的變化，覆膜技術(shù)在冬季的使用也在不斷地推廣。例如，覆膜技術(shù)能很好地解決春季北方地區(qū)春寒現(xiàn)象造成的影響，因此覆膜技術(shù)能實(shí)現(xiàn)蔬菜等農(nóng)作物在冬季的栽培與生長(zhǎng)、減小農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)季節(jié)的依賴性。

我國(guó)使用的農(nóng)用地膜大部分是聚乙烯地膜和聚氯乙烯地膜，地膜回收不徹底，常年累積的殘膜給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了“白色污染”[3-5]。在勞動(dòng)力較少地區(qū)，處理殘膜的措施主要是利用回收機(jī)具回收殘地膜，地膜的破損程度對(duì)拾膜機(jī)構(gòu)的拾膜率有重要影響，為了提高拾膜率，必須了解殘膜力學(xué)性能[6]。冬季的陽(yáng)光照射激烈程度有所下降，加上寒冷空氣對(duì)地膜的長(zhǎng)時(shí)間冷凍，冬季的田間地膜和夏季田間中的地膜力學(xué)性能變也會(huì)有差異。為此，本文通過(guò)對(duì)冬季殘地膜力學(xué)性能的研究和拾膜過(guò)程中的有限元分析，為研制和改善冬季殘膜回收機(jī)具提供參考。

1殘地膜拉伸性能測(cè)試方法

1.1儀器選取和試驗(yàn)方法

為了保證試驗(yàn)可靠性，試驗(yàn)采用儀器為RGM-4002智能控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)儀。

1.2試驗(yàn)方法

按照GB/T1040-2006中的第3部分(薄膜與薄片的實(shí)驗(yàn))中的要求，對(duì)試驗(yàn)地膜進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試[7]。

取厚度為0.006mm的冬季覆膜田間殘地膜為對(duì)象，地膜在田間覆蓋時(shí)間超過(guò)3個(gè)月。制作縱向拉伸、橫向拉伸及直角撕裂拉伸實(shí)驗(yàn)所需試樣各10個(gè)并做標(biāo)記，且要保證試樣表面無(wú)可見(jiàn)破損、邊緣光滑無(wú)飛邊。試樣尺寸為：如圖1所示，縱向和橫向試樣的寬度為10mm，長(zhǎng)度為150mm，夾持部分內(nèi)兩標(biāo)線間隔為100mm；如圖2所示，直角撕裂式樣為燕尾狀，長(zhǎng)度為100mm，夾持部分內(nèi)兩標(biāo)線距離為60mm[6]。

圖1　地膜縱向、橫向拉伸試樣

1.3試驗(yàn)過(guò)程

用RGM-4002智能控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)儀對(duì)地膜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到殘地膜被拉伸時(shí)所承受的最大載荷和斷裂時(shí)的拉伸長(zhǎng)度。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，控制實(shí)驗(yàn)室溫度為(23±2)℃， 拉伸速度設(shè)定為50mm/min；試樣不可扭曲，表面應(yīng)相互垂直或平行，每次完成10個(gè)平行試樣的測(cè)試。

圖2　地膜直角撕裂拉伸試樣

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了測(cè)試殘地膜的力學(xué)性能，試驗(yàn)中要得到殘地膜拉伸后的伸長(zhǎng)程度和拉伸負(fù)荷(最大拉伸載荷)。通常殘地膜受拉后的伸長(zhǎng)程度由斷裂伸長(zhǎng)率來(lái)表示，計(jì)算公式為

(1)

式中εt—斷裂伸長(zhǎng)率(%)；

G0—試樣原始標(biāo)距(mm)；

G—試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離(mm)。

2.1縱向拉伸試驗(yàn)

縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出：拉伸負(fù)荷最大值發(fā)生在試樣9中，拉伸負(fù)荷為2.165(N)；最小值發(fā)生在試樣1中，拉伸負(fù)荷為1.295(N)；斷裂伸長(zhǎng)率最大值和最小分別出現(xiàn)在試樣7和試樣6中。

表1　殘地膜縱向拉伸測(cè)試結(jié)果

2.2橫向拉伸試驗(yàn)

橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出：橫向拉伸試驗(yàn)中，拉伸負(fù)荷最大值發(fā)生在試樣10中，拉伸負(fù)荷為0.873N；最小值發(fā)生在試樣2中，拉伸負(fù)荷為0.588N；斷裂伸長(zhǎng)率最大值發(fā)生在試樣10中，最小值出現(xiàn)在試樣1和試樣2中。

表2　殘地膜橫向拉伸測(cè)試結(jié)果

2.3直角撕裂試驗(yàn)

從表3中可以看出：直角撕裂試驗(yàn)中，拉伸負(fù)荷最大值發(fā)生在試樣7中，拉伸負(fù)荷為1.083N；拉伸負(fù)荷最小值發(fā)生在試樣4中，拉伸負(fù)荷為0.640N；斷裂伸長(zhǎng)率最大值出現(xiàn)在試樣6和試樣8中，最小值出現(xiàn)在試樣1中。

表3　殘地膜直角撕裂測(cè)試結(jié)果

2.4試驗(yàn)結(jié)果

由表2～表3可得殘地膜的力學(xué)性能，如表4所示。

表4　殘地膜力學(xué)性能

縱向、橫向和直角撕裂拉伸過(guò)程中負(fù)荷—位移關(guān)系分別如圖3～圖5所示。

由圖3可知：殘地膜縱向拉伸時(shí)負(fù)荷隨位移的推移是緩慢增加的，最大負(fù)荷點(diǎn)出現(xiàn)距斷裂點(diǎn)較近。

由圖4可知：殘地膜橫向拉伸時(shí)負(fù)荷隨位移的推移變化不大，斷裂時(shí)各試樣的拉伸位移分布不均勻。

由圖5可知：直角撕裂拉伸試驗(yàn)中，隨拉伸位移的增大,拉伸負(fù)荷先增大后縮小，最大負(fù)荷點(diǎn)距斷裂點(diǎn)較遠(yuǎn)。

圖3　殘地膜縱向拉伸負(fù)荷-位移關(guān)系

圖4　殘地膜橫向拉伸負(fù)荷-位移關(guān)系

圖5　殘地膜直角撕裂負(fù)荷-位移關(guān)系

由上述研究可知：縱向最大拉伸負(fù)荷平均值比于橫向最大拉伸負(fù)荷大1.080N，比直角撕裂的最大拉伸負(fù)荷平均值大0.889N；縱向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率平均值比橫向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率平均值大60.15%，比直角撕裂拉伸斷裂伸長(zhǎng)率大149%。

3拾膜過(guò)程中地膜的有限元分析

3．1材料屬性選取

地膜密度920kg/mm3，材料屬性根據(jù)試驗(yàn)中得到的數(shù)值來(lái)定義。拾膜桿齒選擇彈齒式拾膜桿齒，密度7 860kg/mm3彈性模量1.96GPa，泊松比0.3。

3．2接觸面設(shè)置和施加約束

在拾膜過(guò)程中，桿齒末端定義為目標(biāo)面，地膜定義為接觸面。為了模擬真實(shí)的工作過(guò)程和方便分析地膜的變形及應(yīng)力應(yīng)變情況，在桿齒的端部施加6N的力，弾齒實(shí)際安裝固定端和地膜的自由端施加約束。

3.3有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　有限元分析結(jié)果

由圖6(a)可以看出：地膜的最大變形主要發(fā)生在靠近桿齒端部位置，最大變形量是2.1313mm；由圖6(b)、圖(c)可以看出：地膜的最大應(yīng)力和應(yīng)變均發(fā)生在與桿齒中部接觸的地膜處，最大應(yīng)力為37.424MPa。

4結(jié)論

1)殘地膜縱向力學(xué)性能高于橫向和直角撕裂的力學(xué)性能，橫向拉伸負(fù)荷和直角拉伸負(fù)荷較接近，但是橫向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率比直角撕裂拉伸斷裂伸長(zhǎng)率較大。

2)由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知：冬季覆膜的殘地膜縱向拉伸強(qiáng)度較好。

3)拾膜過(guò)程中，地膜的最大變形主要發(fā)生在靠近桿齒端部位置，應(yīng)力應(yīng)變最大值都發(fā)生在與桿齒中部接觸的地膜處。

參考文獻(xiàn)：

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Study on the Tensile Test and Analysis of Winter Mulching

Yang Yelong, Ye Yunxia, Xie Jianhua, Cao Xiaoyan, Sun Chaowei

Abstract：Through the testing of the mechanical properties of the longitudinal, transverse and orthogonal tear tensile load and tensile elongation for the polyethylene mulching film covered in winter which thickness is 0.006mm, the mechanical constitutive properties of the mulching film were obtained. The finite element software ANSYS was used to emulating and discussing the deformation and stress strain for the mulching film when was picked up by the mulching film pole tooth, the results show that: for the mulching film in winter, the tensile strength of longitudinal is greater to the transverse and the rectangular tear; the maximum variant of the mulching film was that it was picked up on the top of the mulching film pole tooth, the maximum of the deformation and stress strain was that it was picked up at the junction of the film and the central of pole tooth.

Key words：plastic film; mechanical properties; ANSYS; finite element

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0215-04

中圖分類號(hào)：S121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊業(yè)龍(1988-),男，濟(jì)南人，碩士研究生，(E-mail)yangyelong0413@163.com。通訊作者：謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465057)

收稿日期：2015-05-12