冲击载荷下的苎麻茎秆分离试验与仿真

发布时间：2020-06-23 09:03

【摘要】：苎麻初加工过程实现机械化生产成败与否直接关系到苎麻产业发展的前景,而机械化生产过程中的技术难点在于实现苎麻茎秆机械剥离和机械化收割环节。获取苎麻纤维的传统方法是人工收割、手工剥制,劳动强度大,生产效率低下。为了获取优质的精干麻,提高苎麻的生产效率,机械收割与机械剥制是最有效的办法。目前,研究人员在设计苎麻茎秆的收割、剥制设备过程中,主要考虑的是由机械机构来实现剥离与收割功能,忽视了在外界载荷作用下苎麻茎秆的力学性能研究。在实际的苎麻茎秆机械收割剥制过程中存在苎麻茎秆麻骨难以去除净及茎秆茎叶脱离不干净的问题,一定程度上影响到精干麻生产加工的质量和效率。因此,展开苎麻茎秆及茎叶的分离力学性能研究,为现有的苎麻茎秆机械收割、剥制及挤胶设备提供有效的技术参数和优化升级具有重要理论指导意义。为了研究冲击载荷作用下由木质部与韧皮部构成的苎麻茎秆的断裂分离能以及苎麻茎秆和麻叶之间的连接力与冲击断裂分离能,并揭示冲击断裂能量及连接力的分布规律,以收获期二麻为试验对象,进行了两组实验。实验一,参照GB/T 1843-2008试验标准,采用TF-2056B悬臂梁冲击试验机对不同部位和不同含水率条件下的苎麻茎秆进行了冲击断裂能量试验;实验二,参照GB/T1040-2006及GB/T 1843-2008试验标准,采用HD-B604-S电脑伺服式拉力试验机与TF-2056B悬臂梁冲击试验机,对分布于不同部位的连接苎麻麻叶与茎秆的叶柄分别进行了静态拉力测试试验和动态冲击断裂试验。试验一数据表明:在苎麻茎秆下端部、中部及稍部三个区段中,冲击断裂韧性最大的是下端部,在实验制备苎麻整秆试样中,其最大冲击断裂能量的平均值为0.5067 J;含水率为84.04%时,苎麻茎秆冲击分离效果最好,连接木质部与韧皮部的“形成层”冲击断裂分离能量值由苎麻茎秆三个区段从上至下依次为0.1662、0.2165、0.3072 J。试验二数据表明:中部茎叶连接力平均值最大,顶部次之,下部最小,茎叶连接力最大平均值为14.492 N;中部茎叶冲击断裂能平均值最大,顶部次之,下部最小,茎叶冲击断裂能最大平均值为0.042 J;中部与顶部的茎叶随叶柄直径增大,其连接力和冲击能量总体趋势逐渐增大而局部波动。两组实验研究分别为收割苎麻、储存茎秆、剥离韧皮和木质部的时间段选择与设计耗能低而生产加工效率高的分离机构及苎麻茎秆脱叶机构及苎麻联合收割脱叶机构设计提供理论依据。为了进一步研究苎麻茎秆分离机理,根据其他学者通过苎麻茎秆实验测得的密度、弹性模量、泊松比等参数将本文中实验一所采用的苎麻茎秆标准式样1简化为双层复合材料层合板模型,通过有限元ABAQUS软件对苎麻茎秆的韧皮部与木质部进行数值模拟仿真分析。模拟了两种不同材料在冲击载荷作用下应力、应变和能量变化,揭示了苎麻茎秆的韧皮部与木质部分离机理。将实验结果与数值模拟分析结果进行对比可知误差值为8.9%,从而应证了苎麻茎秆分离冲击能的合理性。论文的主要研究内容与结论如下:(1)苎麻茎秆冲击断裂韧性研究,采用冲击试验机对苎麻茎秆进行冲击断裂能量试验,确定茎秆断裂过程中的能量变化关系,得出相应的试验参数,并利用数值处理软件(origin)进行数值拟合,绘制曲线,揭示苎麻茎秆在冲击载荷下,韧皮部和木质部的分离断裂能分布规律;(2)苎麻茎叶的力学特性研究,采用拉力试验机与冲击试验机,对分布于不同部位的连接苎麻麻叶与茎秆的叶柄分别进行静态拉力测试试验和动态冲击断裂试验,分别获取茎叶连接力和茎叶冲击断裂能的范围值,并利用数值处理软件(origin)进行数值拟合,绘制曲线,揭示苎麻茎叶连接力及其冲击断裂能量的分布规律;(3)苎麻茎秆复合材料低速冲击载荷作用下分层研究,应用ABAQUS有限苎麻茎秆复合材料模型进行双层材料分层模拟,模拟韧皮纤维层与基体木质部的开裂与分层过程及获得各层材料的应力、位移云图及应变能分布曲线,将苎麻茎秆韧皮纤维层与木质部简化为复合材料层合板模型,对模型进行分离分层模拟,用模拟结果来证明苎麻茎秆复合材料的损伤断裂具备准确性与真实性,并可对在实验过程中呈现的能量与力应力分布情况与模拟结果进行对比分析。
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S226.72
【图文】：

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图 1.1 复合材料主轴Figure 1.1 Composite shaft由多层单向板按照某种层次叠放在一起并粘结加热而制成一个向板（铺层）的材料主方向（纤维方向）一般不同，与单向板相层粘合在起。层合板如图 1.2 所示。图 1.2 层合板示意图Figure 1.2 Laminates schematic

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6图 1.2 层合板示意图Figure 1.2 Laminates schematic速载荷作用下的相关研究低速冲击作用下复合材料损伤的相关研究，其主要方法模拟。J.P.Hou 等[34]对 Tsai-Wu 准则进行了修正，并依层板的损伤。C.T.Sun 等[35]预先假设梁模型内具有穿透临界冲击速度，并通过使用虚裂纹闭合技术对应变能释模型在受橡胶球冲击时的脱层扩展过程进行分析。F.Coll损伤准则对基体开裂进行研究，并使用临界力准则对分限元模型进行冲击损伤分析。

【参考文献】