不同加載速度下脆熟期棗的壓縮力學(xué)特性

魯兵　王旭峰　胡燦　張攀峰

摘要：為減小新鮮灰棗和冬棗在采摘和運輸過程中的機械損傷，對南疆脆熟期的灰棗和冬棗進行不同加載速度下的水平和豎直壓縮試驗，并運用SPSS和Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理。結(jié)果表明，加載速度對脆熟期灰棗和冬棗的水平和豎直壓縮破裂力有顯著影響（P<005），灰棗受水平壓縮時，壓縮破裂力隨加載速度變化幅度較小，豎直壓縮時，壓縮破裂力與加載速度呈負相關(guān)關(guān)系；冬棗受水平和豎直壓縮時，壓縮破裂力均隨加載速度的增大先增大后減?。辉谙嗤虞d速度條件下，脆熟期灰棗和冬棗受水平與豎直壓縮的壓力-變形曲線的變化趨勢相似，均沒有明顯的生物屈服點，但破裂力和破裂變形在數(shù)值上均有明顯差異，表明其力學(xué)性能具有各向異性；在各種加載速度條件下，脆熟期灰棗、冬棗受豎直壓縮破裂時的應(yīng)變能比受水平壓縮時的對應(yīng)值大，脆熟期灰棗、冬棗受水平壓縮破裂的最小應(yīng)變能分別為10849、16688 mJ，受豎直壓縮破裂的最小應(yīng)變能分別為22938、37112 mJ，表明2種棗在豎直方向的抗壓縮力學(xué)性能優(yōu)于水平方向的抗壓縮力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：南疆紅棗；脆熟期；加載速度；力學(xué)特性；應(yīng)變能

中圖分類號： TS2553文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0244-03

收稿日期：2016-06-06

基金項目：塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室開放課題（編號：TDNG20160101）；塔里木大學(xué)校長基金（編號：TDZKQN201510）；塔里木大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目（編號：TDGRI201514）。

作者簡介：魯兵（1991—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)。E-mail：1170027843@qqcom。

通信作者：胡燦，碩士，講師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail：hucanboy1@qqcom。

棗原產(chǎn)于我國，是鼠李科棗屬植物的果實，在我國的栽培歷史可追溯到幾千年以前1-3]。除韓國種植有少量紅棗之外，我國是紅棗的主要種植地區(qū)，我國紅棗產(chǎn)量占世界紅棗總產(chǎn)量的90%以上。南疆地區(qū)日照時間長、空氣透明度高、晝夜溫差大等氣候條件為紅棗的優(yōu)良品質(zhì)的形成創(chuàng)造了基本條件4]。南疆脆熟期新鮮冬棗和灰棗因果皮薄、果肉脆、糖度高而廣受消費者青睞。但是新鮮紅棗在采摘和運輸過程中容易形成機械損傷，不利于紅棗的長期運輸和儲存。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過壓縮、剪切、跌落試驗以及有限元仿真等手段對石榴、油桃、蘋果、荔枝、西瓜、龍眼、黃花梨等果品的力學(xué)特性展開了大量研究5-11]。研究結(jié)果表明，不同果品的力學(xué)性能差異明顯，并且同一果品不同成熟階段的力學(xué)性能也差異較大。脆熟期是新鮮灰棗和冬棗采摘食用的最佳時期，因此，本研究采用壓縮試驗探討脆熟期灰棗和冬棗的力學(xué)特性，以期為灰棗和冬棗在采收和運輸過程中降低損失提供參數(shù)依據(jù)。

1材料與方法

11試驗材料

2015年10月在塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室進行脆熟期灰棗和冬棗的壓縮試驗。試驗材料取自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市十團的典型矮化密植棗園和塔里木大學(xué)園藝站棗園，灰棗和冬棗樣本分別從棗園不同株棗樹的不同位置進行挑選。所選冬棗樣本的縱徑（果蒂與頂部連線方向的尺寸）為2911～3443 mm，2個腰徑（經(jīng)過縱徑中點的水平平面內(nèi)，2個相互垂直方向的尺寸）分別為2729～3182、2942～3392 mm，質(zhì)量為1321～1547 g；所選灰棗樣本的縱徑為3410～3682 mm，2個腰徑分別為 1977～2375、2128～2487 mm，質(zhì)量為836～1022 g。另外，所選紅棗樣本均無蟲眼、畸形、表面損傷等現(xiàn)象。

12試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用WD-D3型電子萬能材料試驗機（購自上海卓技儀器設(shè)備有限公司），其有效測力范圍為10～5 000 N，試驗加載速度的調(diào)節(jié)范圍為0001～500 mmmin，精確度等級為05級，整個試驗過程由計算機自動完成力與位移的數(shù)據(jù)采集，取點時間間隔為002 s，壓縮時萬能試驗機采用剛性平板壓頭，下壓板固定不動，上壓板以設(shè)定加載速度向下壓縮；FA1104電子天平（購自上海市安亭電子儀器廠），稱量范圍為0～200 g；LINKS電子數(shù)顯游標卡尺（購自哈爾濱量具刃具集團有限責任公司），有效測量范圍為0～150 mm，測量精度為001 mm。

13試驗方法

冬棗和灰棗果核呈長橢球狀，且縱向兩端有尖點，對紅棗受壓的內(nèi)部應(yīng)力分布有明顯的影響。因此，對冬棗和灰棗樣本進行不同加載速度下的水平和豎直壓縮試驗，對灰棗進行加載速度分別為35、40、45 mmmin的單因素壓縮試驗，對冬棗進行加載速度分別為40、45、50 mmmin的單因素壓縮試驗12]。各取60個冬棗、灰棗樣本，隨機將冬棗和灰棗各分成6組，每組10個紅棗，其中3組進行水平方向不同加載速度的重復(fù)壓縮試驗，另外3組進行豎直方向不同加載速度的重復(fù)壓縮試驗。

14數(shù)據(jù)處理

本試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 160和Matlab軟件進行處理和差異性分析。

2結(jié)果與分析

21加載速度對灰棗壓縮破裂力的影響

由表1可知，水平和豎直壓縮時加載速度對脆熟期灰棗壓縮破裂力影響的P值均<005，因此，水平和豎直壓縮時加載速度對灰棗壓縮破裂力均有顯著影響，且豎直壓縮時加載速度對灰棗壓縮破裂力的影響比水平壓縮時明顯?；覘検芩綁嚎s時，壓縮破裂力隨加載速度增加變化幅度較?。皇茇Q直壓縮時，壓縮破裂力與加載速度呈負相關(guān)關(guān)系。

22加載速度對冬棗壓縮破裂力的影響

由表2可知，冬棗受壓縮的平均破裂力隨加載速度的增大表現(xiàn)為先增大后減小。水平和豎直壓縮時，加載速度對冬棗平均壓縮破裂力影響的P值均<005。因此，水平和豎直壓縮時加載速度對冬棗的平均壓縮破裂力均有顯著影響（P<005），且加載速度對豎直壓縮時平均破裂力的影響比水平壓縮時明顯。endprint

23灰棗受壓縮的壓力-變形曲線分析

對灰棗進行不同加載速度下的水平和豎直壓縮試驗，分析不同加載速度下灰棗受壓縮的壓力與變形之間的變化規(guī)律。由圖1可知，對灰棗進行水平和豎直方向壓縮時，其壓力-變形曲線的變化趨勢基本相似。在不同加載方向和不同加載速度條件下，灰棗受壓縮的壓力-變形曲線均沒有明顯的生物屈服階段，各種情況下壓力均隨變形量的增大直接增大到壓力的最大值。當壓力達到最大值時灰棗發(fā)生壓縮破裂，此時對應(yīng)的壓力值為灰棗在該種壓縮條件下的壓縮破裂力?；覘検軌嚎s到達破裂力之后，壓力隨變形的增加急劇減小，表明灰棗受外力壓縮破壞時呈現(xiàn)脆性，沒有延展性。在相同加載速度條件下，灰棗受水平壓縮的破裂力和破裂變形均與受豎直壓縮產(chǎn)生的對應(yīng)值存在明顯差異，表明灰棗的抗壓縮性能具有各向異性。在壓縮變形的初始階段，水平和豎直壓縮的壓力隨變形變化的斜率相近，當變形達到一定程度后，水平壓縮的壓力隨變形變化的斜率大于豎直壓縮時壓力隨變形變化的斜率，這反映在初始壓縮變形之后，灰棗水平方向的彈性模量大于豎直方向的彈性模量。

24冬棗受壓縮的壓力-變形曲線分析

由圖2可知，在不同加載速度的壓縮條件下，冬棗受水平和豎直壓縮的壓力-變形曲線均沒有生物屈服階段，壓力均隨著變形的增加直接增大到冬棗的破裂力，增大到破裂力之后，隨著變形的增大壓力急劇減小，也表明冬棗受壓縮載荷時呈現(xiàn)脆性，沒有延展性。并且相同加載速度條件下，冬棗受水平壓縮和豎直壓縮產(chǎn)生的破裂力與破裂變形在數(shù)值上也存在明顯的差異，表明冬棗的抗壓縮性能具有各向異性。另外，在壓縮變形的初始階段，在相同加載速度條件下水平壓縮的壓力-變形曲線與豎直壓縮的壓力-變形曲線基本重合。但隨著變形的逐漸增大，水平壓縮的壓力-變形曲線與豎直壓縮的壓力-變形曲線在變化程度上出現(xiàn)差異。從圖2-a可以看出，經(jīng)過初始變形之后，冬棗受水平壓縮的壓力隨變形變化的斜率大于受豎直壓縮的壓力隨變形變化的斜率，表明初始變形之后，冬棗水平方向的彈性模量大于豎直方向的彈性模量。從圖2-b和圖2-c可以看出，初始變形之后，冬棗受豎直壓縮的壓力隨變形變化的斜率大于受水平壓縮的壓力隨變形變化的斜率，表明初始變形之后，冬棗豎直方向的彈性模量大于水平方向的彈性模量。

25灰棗和冬棗的抗擠壓性能分析

應(yīng)變能是指物料受到外力作用時，發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變而貯存于變形體內(nèi)的能量。計算灰棗和冬棗受壓縮破裂時的應(yīng)變能，能夠反映灰棗和冬棗的極限抗擠壓能力13]。運用公式（1）計算出棗受壓縮的應(yīng)變能，具體表現(xiàn)為壓力-變形曲線圖中曲線與坐標軸圍成的面積，如圖3所示。

HS2]E=∫DKG-1]0Fdx。JZ）]JY]（1）

式中：E為紅棗受壓縮破裂時的應(yīng)變能，mJ；D為紅棗受壓縮破裂時的變形量，mm；F為壓縮紅棗時各時刻的壓力，N。

根據(jù)公式（1）運用Matlab計算圖1、圖2中各種壓縮條件下灰棗和冬棗受壓縮破裂時對應(yīng)的應(yīng)變能。由表3和表4可知，在相同加載速度的壓縮條件下，灰棗和冬棗受豎直壓縮破裂時的應(yīng)變能均大于受水平壓縮破裂時對應(yīng)的應(yīng)變能，表明灰棗和冬棗豎直方向的抗壓縮力學(xué)性能優(yōu)于水平方向的抗壓縮力學(xué)性能?；覘検芩?、豎直壓縮破裂時的最小應(yīng)變能分別為10849、22938 mJ，冬棗受水平、豎直壓縮破裂時的最小應(yīng)變能分別為16688、37112 mJ。

3結(jié)論

加載速度對脆熟期灰棗和冬棗水平壓縮與豎直壓縮的壓縮破裂力均有顯著影響（P<005），且灰棗和冬棗受豎直壓縮時加載速度對破裂力的影響比受水平壓縮時明顯。另外，灰棗受水平壓縮時，壓縮破裂力隨加載速度變化幅度較小，受豎直壓縮時，壓縮破裂力與加載速度呈負相關(guān)關(guān)系；冬棗受水平和豎直壓縮時，壓縮破裂力均隨加載速度的增加表現(xiàn)為先增大后減小。

在相同加載速度條件下，灰棗和冬棗受水平壓縮與豎直壓縮的壓力-變形曲線的變化趨勢相似，均沒有明顯的生物屈服階段，但灰棗和冬棗的壓縮力學(xué)性能均具有各向異性。

在相同加載速度條件下，灰棗和冬棗受豎直壓縮破裂時的應(yīng)變能比受水平壓縮破裂時的應(yīng)變能大，表明灰棗和冬棗豎直方向的抗壓力學(xué)性能優(yōu)于水平方向的抗壓力學(xué)性能?；覘検芩健⒇Q直壓縮破裂時的最小應(yīng)變能分別為10849、22938 mJ，冬棗受水平、豎直壓縮破裂時的最小應(yīng)變能分別為16688、37112 mJ。

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