试析常温下稻米湿应力场物理参数及裂纹机理的试验研究

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1、东北农业大学博士学位论文常温下稻米湿应力场物理参数及裂纹机理的试验研究姓名：肖威申请学位级别：博士专业：农业机械化工程指导教师：马小愚20070620摘要稻米是我国主要的粮食作物，稻米品质的高低直接影响到人们的生活质量。稻米籽粒在成熟、收割、脱粒、干燥、贮存、加工等过程中会存在各种机械损伤，关于干燥过程应力裂纹已有许多研究。但在常温下也经常出现由于贮藏环境温度或湿度控制的不适，谷粒吸湿或解湿，产生应力裂纹，降低产品等级，造成经济损失，而这方面的研究报道很少，所建立的基本方程中许多参数在国内还很少被研究过，本文研究稻米籽粒湿应力场的主

2、要物理特性参数及湿应力裂纹机理，掌握稻米籽粒水分传递的规律与籽粒材料本身机械强度、变形、裂纹等之间的关系，对稻米产品的质量控制、减少湿应力损伤，提高产品品质。有重要的意义。研究、采用了合适的盐溶液及不同浓度的酸溶液调节稻米含水率、制取不同含水率稻米试样的方法：研制了测量稻米材料机械物理特性时使用的保温保湿箱、适用于稻米试件使用的拉伸和弯曲试验装置：配置了暗箱、CCD摄像机、竖直与水平摄像装置及计算机图像采集系统等；进行稻米机械物理特性和水分传递特性的各种预备试验．得到：稻米的抗拉强度远小于抗压强度而拉压时的弹性模量、泊松比相差不大。

3、稻米籽粒的拉伸试验难度极大，成功率很低，可以用籽粒的弯曲试验代替拉伸试验研究籽粒材料的拉伸特性；探讨试验研究方法及其可行性，制定了合理的稻米湿应力场试验研究方案。进行了4个品种稻米等截面柱形试件的单轴压缩和拉伸试验．获得了压缩和拉伸时的应力一应变关系曲线，强度极限、弹性模量和泊松比等物理参数，及其各指标随含水率变化的的趋势；稻米的强度极限、弹性模量和泊松比，随含水率的增加而减小。进行了完整稻米籽粒的弯曲试验，通过对4个品种稻米的弯曲试验，分别获得了稻米籽粒在弯曲时的抗拉强度极限和弹性模量，建立了稻米含水率与弯曲特性指标之间的关系。试

4、验研究得到：相同品种、相同含水率下稻米籽粒的抗压强度要远大于稻米籽粒的抗拉强度，而两种试验方法得到的稻米的弹性模量和泊松比数值相近，说明当稻米处在吸湿或解吸自I环境时，稻米籽粒内部形成“内拉外压”或“内压外拉”的受力状态，无论是什么样的应力状态，稻米湿应力裂纹都是由于籽粒内拉伸应力达到了籽粒的抗拉强度极限而发生的。研制了稻米籽粒湿线膨胀系数试验装置，采用图像分析技术对稻米籽粒湿线膨胀系数进行了试验研究，获得4个品种稻米在不同含水率范围内的湿线膨胀系数，并且发现稻米籽粒长方向湿线膨胀系数数值要大于宽方向。在相同含水率变化下，稻米籽粒在

5、长方向的膨胀量会大于宽方向，所以稻米籽粒发生断裂时，裂纹的产生都是垂直于长方向发生的。利用动态图像分析的方法，观察稻米籽粒在吸湿或解吸过程，获得稻米籽粒在开裂前，稻米含水率一吸湿时间—外形尺寸三者之间的关系，得出稻米籽粒水分扩散系数及其与吸湿时问的关系，并且估算出在任意时刻，稻米籽粒的表层含水率、吸湿深度和籽粒内部的水分梯度；建立不同环境相对湿度下，籽粒的安全贮藏含水率范围，为稻米的贮藏提供参考数据。将稻米机械物理特性与水分传递特性试验研究结果相结合，探讨常温下稻米籽粒湿应力裂纹产生的机理．分别作了稻米籽粒内湿度场的理论分析及三角形

6、单元的有限元分析，采用试验所获得的弹性模量、泊松比、湿线膨胀系数、水分扩散系数等稻米籽粒材料湿应力场的物理参数为实常数、并建立椭球形稻米籽粒有限元实体模型、以环境湿度及稻米初始含水率Xr为边界条件、初始条件，采用ANSYS大型通用有限元分析软件，进行了稻米籽粒湿度场的有限元数值模拟分析，并将湿度场的有限元模拟结果作为湿度载荷施加到有限元椭球模型上，进行稻米籽粒的湿应力场的有限元模拟，获得了与稻米应力裂纹动态产生观察位置相近的结果，给出了稻米籽粒在吸湿时籽粒内部的湿应力一应变场的分布情况。预测湿应力裂纹的发生、发展：吸湿时拉应力集中位

7、置在籽粒的横截面中部，预示湿应力裂纹将从心部发生并沿横截面径向发展。最终将会形成沿横方向的断裂，本研究为稻米籽粒在常温下的湿应力裂纹机理研究提供了新的理论、方法及需要的物理参数等重要信息。本文在研究方法上多次应用了图像处理、小波分析等现代科技：自行研制了多种试验装置，解决稻米机械物理特性与水分传递特性参数测量中的难题；采用具有相当难度的弹性理论中的加权余量法建立稻米籽粒的湿度场、湿应力场的基本理论并进行有限元单元分析：用试验研究所得到的弹性模量、泊松比、湿线膨胀系数、水分扩散系数湿应力场的物理参数为实常数、并首次采用由胚乳缺口的椭球

8、形稻米籽粒有限元实体模型、以环境湿度及稻米初始含水率为边界条件、初始条件．由ANSYS大型通用有限元分析软件，进行稻米内湿度场数值模拟，并以获得的水分分布作为湿应力场的湿载荷初始条件，进行湿应力场数值模拟，得到在环境湿度及稻米初始含水