农业物料力学特性发展浅谈

浅谈农业物料力学特性发展

摘要：农业工程是实现农业现代化的重要物质基础和保障，也是建设现代农业和社会主义新农村最关键的科学技术领域之一1。随着农业工程技术的应用和发展，农业物料力学在农业工程领域中也得到了广泛应用，农业物料力学的理论、实验、应用等方面在农业工程领域中得到了广泛应用。本文简述农业物料力学的发展过程，以及固体农业物料的力学性质在理论、实验等方面的研究发展。

关键字：农业物料；力学特性；研究进展；

1.引言

农业物料是指农业生产和农产品加工的对象，它包括动、植物以及以它们为原料加工的半成品和成品，如谷物、蔬菜、水果、肉、蛋奶、皮毛等2。农业物料力学特性包括固体物料的应力—应变规律、冲击、振动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛和流变等特性。散粒体物料的摩擦、粘附、变形、流动、离析等特性。液体物料的流体力学特性、流变、黏性、黏弹性等特性。声学特性和超声波特性。所以深入研究农业物料的力学问题显得尤为重要，这对于农业物料的采摘、加工、运输、储存、包装及相关机械设计的研究设计有着重要的作用。国内外学者对此进行了广泛深入的研究，研究成果在农业工程中得到了大量的应用。

2．固体农业物料的力学特性研究与应用

固体物料力学特性研究发展较早，在国外，20世纪60年代就引起了重视，美国宾夕法尼亚大学N．Mohsenin教授总结了各方面取得的研究成果，于70年代至80年代中期写出了“动植物物料物理特性”一书，为该学科的发展奠定了基础3。国内起步则稍晚一些，80年代以后，几所大学及研究所展开了相应的研究。到目前为止已经获得了很大发展，取得了不少成果。固体物料涉及到流变力学特性，固体物料流变特性在生产、质量控制和研制开发新产品中有着重要作用。

2.1固体农业物料的常规力学特性

研究固体农业物料的常规力学性质可得到在工程分析和设计中有参考价值的数据。由于原料在运输和加工时一般以自然状态承受各种机械作用，所以开展完整形态下物料力学特性的研究有着重要的理论价值和现实意义。

王旭东等人4对荔枝物理参数和机械特性的实验研究，分别测出四种荔枝的物理参数，包括球度，果壳厚度和鲜果的平均密度，以及做荔枝的压缩试验，分析荔枝的变形和裂纹特征，得出结论表明所用的四个品种的荔枝的球度平均值为0.96~0.97，在机械加工中可以作为球来处理；荔枝鲜果平均密度为1X103kg/m3，果核质量的大小是影响整果密度的关键；试验样品的平均压缩破坏载荷与变形量差异不显著，压缩破坏的裂纹都与压力作用的方向一致。

张洪霞等人5对萝卜的常规力学性质做实验研究，得出了萝卜在不同方向承受载荷时的力—位移关系曲线，从而获得常规力学参数，包括变形度（或表观弹性模量）、破坏应力和破坏应变及屈服应力、屈服应变。结果表明萝卜的不同部位承受载荷时，其抗挤压能力存在着一定的差异，轴向比径向抗压能力强，而且轴向的变形度及表观弹性模量要比径向大。

王荣等人6对番茄力学性能进行试验研究，分析番茄的力—位移曲线，刚度与变形的关系，以及番茄皮的拉伸，刚度与变形的关系，弹性模量，弹性模量与应变之间的关系以及番茄皮的破坏强度。结果表明可将整个番茄与番茄皮近似的看作是各项同性材料；番茄压缩时的力与位移关系与番茄皮的应力——应变曲线均可用完全三次多项式拟合，刚度与变性关系可用完全二次多项式表示，这样可方便地求出任意变形时对应的刚度值，为番茄的非线性材料给出定量表达式。可将番茄破裂时的破坏强度值与破碎时的延伸率，作为整体番茄机械损伤的评价指标。

程红胜等人7对荔枝果核力学特性分析及实验，压缩荔枝果核，建立荔枝果核压缩过程力学模型，分

析力—变形曲线，弹性模量，得出荔枝果核压缩过程主要为弹性变形，达到破坏极限时，果核产生应力裂纹或破碎而破坏；果核的弹性模量在20～50MP a之间，最大值出现在压缩开始阶段，并逐渐减小，趋于稳定。上述结果为荔枝去核理论的发展及相关机械的设计等提供了必要的参考。

苏工兵等人8 9对苎麻茎秆拉伸力学性能以及苎麻木质部力学性能进行研究，在万能试验机上对苎麻进行弯折，拉伸，压缩试验。得到苎麻木质部抗弯弹性模量为7358.69Mpa，最大抗弯强度为40.77Mpa；拉伸弹性模量为177.26Mpa，最大抗拉强度为32.25Mpa。杨氏弹性模量平均值为177.26N/mm2，最大抗拉强度平均值为32.25N/mm2,韧皮纤维的杨氏弹性模量平均值为1909.08N/mm2，最大抗拉强度平均值为82.51N/mm2；茎秆复合的杨氏弹性模量平均值为118.88N/mm2；木质部横向抵抗变形能力强，拉伸弹性模量与压缩弹性模量有明显差异，木质部是各向异性材料。

高梦祥等人10对玉米秸秆的茎叶连接力，叶鞘的抗拉特性和茎秆，叶鞘的抗冲击特性进行了测试分析研究，结果表明，茎叶连接力为0.7~16N，叶鞘抗拉力为3~21N，叶鞘抗冲击能量为0.5~3.8J，茎秆抗冲击能量为2.3~42.8J。这些力学特性参数是玉米秸秆固有的，并具有统计规律性，为玉米收获，加工机械的茎叶分离装置提供了重要的设计参数。

Dijkkink11对大豆颗粒进行剪切测试，分析了剪切测试曲线面积、剪切破碎力、剪切斜率等力学特性参数，并用这些参数来评判大豆的品种以及水分含量对大豆碾磨性能(能耗等)的影响。

2.1固体农业物料的流变学特性

固体农业物料的流变学特性是研究固体农业物料在外力作用下产生的形变、流动，以及载荷作用的时效，表达出应力—应变—时间，或力—变形—时间之间的关系。国外关于农业物料流变学特性的研究始于20世纪30年代12。我国农业生物流变学研究起步较晚，从1985年起，才首次将流变力学应用于固体农业物料的研究上；通过力—变形曲线，建立了固体农业物料的流变力学模型，我国于1985年建立了跨行业跨学科的流变学学会。

S. Cenkowski13使用万能压缩试验机对单粒核果进行了蠕变恢复试验，采用Maxwell模型和Kelvin模型测定了果实的黏性系数和弹性系数。

Yong-LiangXu 14对籼米凝胶蠕变过程进行研究，测定凝胶的流变学参数以及化学组合物的效果，得出籼米蠕变的主要过程，以及用相关性分析表明，延迟弹性模量与直链淀粉和脂肪含量呈正相关性；松弛时间与直链淀粉和脂肪含量有负相关性；粘度系数与直链淀粉和蛋白质含量呈正相关。

王芳等人15对西瓜进行了力学分析及有限元分析。用有限元软件对西瓜进行建模，以及对西瓜做压缩试验，得到西瓜瓜梗垂直和水平受压的弹性模量分别为9.45X105Pa和8.50X105Pa,用比较西瓜受压的试验值和仿真值，二者差异最大为10%，研究西瓜瓜梗垂直和水平受压的承载特性，验证了仿真数值解的可行性，结果表明，在相同压力作用下，西瓜瓜梗垂直放置时，其受压的应力和应变都小于水平受压的情况，研究结果可为西瓜的储存，运输和加工等提供理论依据。

李心平等人16对玉米种子力学特性用有限元分析方法进行分析，建立玉米种子的几何模型，通过有限元分析方法对玉米种子在压载作用下不同部位的应力分布进行了分析，得到玉米种子在不同施力部位压载作用下的微观力学性质。经过模型计算和实验结果比较，得出种子的宏观破裂位置和破裂方向与模拟结果相吻合，种子的宏观破裂是由内部裂纹引起的，从而为深入研究玉米种子的力学性质、损伤机理、优化脱粒机械提供理论依据。

2.2固体农业物料其他力学特性

农业物料的声学特性是指物料在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等。它们反映了声波与物料相互作用的基本规律17。研究农业物料的声学特性对农业物料的检测、分类、分级等有重要的意义。近30年，声学特性在农产品无损检测技术中的研究和应用发展很快。目前美国在这方面的研究处于领先地位。Schotte18提出了基于第一共振频率和西红柿质量的硬度检测因子，试验表明，利用该硬度因子来测定西红柿的硬度比专家主观评审具有更高的可重复性和精确度为西红柿质量检测和评定提供了实用定量的技术参数。

对光的反射、吸收、透过和光致发光的性能称为农业物料的光特性。不同种类的农业物料，具有不同