莲藕中屈服强度和抗压强度检测方案(质构分析仪)

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华 中 农 业 大 学 学 报Journal of Huazhong Agricultural UniversityVol. 34 No.1Jan. 2015，148~151第34卷第1期2015年 1月 郭洋民等：莲藕屈服强度和抗压强度的测定与分析第1期149 莲藕屈服强度和抗压强度的测定与分析 郭洋民 夏俊芳 肖科星 桂 鹏 华中农业大学工学院，武汉430070 摘要 为探讨莲藕在压缩过程中的受力情况和不同藕节在不同的加载速率下抗压强度的变化规律，采用质构仪对鄂莲3537的不同藕节进行压缩试验，分析在不同的压缩速率下藕节间的压力-位移曲线，并得到对应的屈服极限和破坏极限。压缩试验测定的结果表明：各藕节的屈服极限和破坏极限都随着压缩速率的增加而增加；相同压缩速率下，3种藕节屈服极限的大小依次是第3节最大、第2节次之、第1节最小，不同藕节的破坏极限的大小依次是第2节最大、第3节次之、第1节最小。对屈服极限和破坏极限进行可重复双因素方差分析的结果表明：压缩速率和不同藕节对莲藕表面的屈服极限和破坏极限有显著影响，但两者的交互作用对莲藕表面的屈服极限和破坏极限无显著影响。 关键词 莲藕；压缩；屈服强度；抗压强度 中图分类号 Q 66； S645.1 文献标识码 A 文章编号 1000-2421(2015)01-0148-04 DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2015.01.024 莲藕是中国重要的水生蔬菜和特色农产品，具有很高的食用与药用价值，市场前景广阔。目前，莲藕从泥塘中采收后主要利用水枪冲刷，较大的水压冲刷莲藕表面时会造成莲藕损伤。莲藕在贮运过程中，彼此互相挤压、撞击对莲藕表面也会造成损伤。农业物料的力学特性与物料品种、含水率、成熟度以及物料形状有关1-5]。国内外学者利用质地分析仪和万能试验机对莲藕的抗压强度、纵向最大压溃力、表面抗压强度、剪切强度以及藕片与刀片的粘附力进行了测试与分析[61，并对莲藕的成熟度、切割时的加载速率和刀片刃角对莲藕切割阻力的影响等也进行了观察，但关于莲藕生物力学特性的研究较少。为减少莲藕在采收和运输贮运过程中的损失，笔者通过压缩试验，分析了莲藕不同藕节在不同加载速率下的屈服强度、抗压强度，以及加载速率和不同藕节对屈服极限、抗压极限的影响，旨在为设计高效率、低损伤、应性强的莲藕采收和运输机具提供理论依据。 材料与方法 1.1 供试材料 种为鄂莲3537。测试时选取藕节间无破坏，表面无损伤、无明显缺陷的莲藕备用。 1.2 行试验设备 选用美国 FTC公司生产的 TMS-PRO型质构仪，其配套传感器最大量程为1000N；采用压缩压头为直径10 mm 平顶圆柱压头。 1.3 测试方法 莲藕的形状差异较大，同根莲藕上部分藕节比较短小，商品化的莲藕一般会去除这些短小的藕节，剩余部分一般有3节，按照藕节分布顺序从藕根向外依次定义为第1节、第2节、第3节6]。选择当天采收的莲藕，以不同的加载速率对莲藕的不同藕节进行压缩试验，从中分别随机挑选出藕节粗细大致相同的莲藕12株，按照不同压缩速率的需要分为4组，每组试验重复3次，试验样本共计36个，测试时对藕节进行编号。压缩试验完成后将藕节中间部分切下，进行含水率的测量。 压缩试验开始时，将莲藕水平放置在质构仪压缩平台上。莲藕含水率较高，属于软质物料，故采用的压缩速度范围应该在10~50 mm/min3。试验采取15、25、35、45 mm/min 4种不同的载载速率匀速的施加载荷。莲藕的内部是有空隙的，且边孔到 ( 收稿日期：20 1 4-04-01 ) ( 基金项目：国家自然科 学 基金项目(51275196)； 国 家公益性行业(行业) 科 研专项(201203059) ) ( 郭洋羊，硕士研究研.研究 方 向：现代农业 装 备设计.E-mail： g uoyangmin n iu@163.com ) ( 通信作者：夏俊 芳 ，博士， 教 授.研 究 方向： 现 代农业装备设计 . E-mail： xjf @ mail . h zau . edu. c n ) 表皮的分布范围是4~10mm6。为避免边孔对莲藕压缩特性的影响，并保持试验所得数据能够反映莲藕的物理机械特性，压缩的目标位移设置为4mm. 2 结果与分析 2.1 莲藕藕节压缩过程中压力的变化规律 莲藕在压缩过程中的压力-位移的关系均类似于图1所示的曲线。从中选取样本鄂莲3537第2节在加载速率为25 mm/min 时得到的压力-位移变化曲线。如图1所示，分析莲藕在压缩过程中压缩力随位移的变化规律。 图1 莲藕压缩过程中压力-位移变化曲线 Fig.1 Force-displacement curve of lotus root duringthe compression process 由图1可以看出，平顶圆柱压头在进行加载的时候曲线有2个明显的峰值点：S点和B点。从原点到Ｓ点的加载阶段，压力随位移的增加而平稳的增加。到达S点时出现第1个峰值，此点称为生物的屈服极限点，所对应纵坐标的压力值Fs称之为生物屈服极限。此时莲藕吸收外部压力传递的能量称为变形能，其数值为生物屈服点下方变形曲线与横坐标围成的面积。在试验过程还发现，压力小于 Fs时压头不会对莲藕产生明显的损伤[8]。当压力继续增加时，压缩将进入塑性变形过程，这个过程产生的变形和损伤不可恢复。直到曲线达到B点时出现第2个峰值，B点称为破坏极限点，所对应纵坐标的压力值Fb 称为破坏极限。压力达到破坏极限时，莲藕表面出现明显压痕，此时莲藕果实所吸收的能量称为破坏能。 2.2 莲藕压缩特性参数的分布规律 莲藕不同藕节在不同的压缩速率下的生物屈服极限、破坏极限的分布规律如图2和图3所示。 由图2和图3可以看出，测试过程中，当压缩速 度从15 mm/min 增加到45 mm/min 时，各藕节的屈服极限和破坏极限都随之增加。这是因为莲藕含水率较高，组织较脆嫩，随着压缩速度的增加，莲藕果实细胞内液体的粘性阻尼也随之增大，故承载能力提高. 压缩速率/(mm/min) Loading rate 图2 莲藕屈服极限的分布规律 Fig.2 The distribution of lotus root yield limit 图3 莲藕破坏极限的分布规律 Fig.3 The distribution of lotus root failure limit 由图2可知，在不同藕节之间屈服极限的大小依次是第3节最大、第2节次之、第1节最小。由图3可知，不同藕节破坏极限的大小关系依次是第2节最大、第3节次之、第1节最小。莲藕在破坏极限点时，莲藕组织内部细胞发生滑移、变形，在宏观上表现为结构的破坏。 因此，在实际应用中，可以根据莲藕不同藕节的压缩特性来选择应用方案，如第1节比较适合直接切片进行深加工，可以减少加工机械的功率消耗。而第2节和第3节，抵抗机械损伤能力更强，更适合于储藏、运输。 2.3 藕节间的屈服极限和破坏极限 不同压缩速率下莲藕不同藕节的屈服极限和破坏极限值如表1所示。对其进行可重复双因素方差分析，可获得压缩速率、藕节及其交互作用对莲藕屈服极限影响的差异程度。由表2可知，压缩速率在 15~45 mm/min 范围时，对莲藕3种藕节的屈服极限影响极显著(P<0.01)。分析结果表明，莲藕的不同藕节在各个速率下对莲藕的屈服极限影响也是极显著(P<0.01)。压缩速率和不同藕节的交互作用对莲藕的屈服极限无显著影响(P>0.05)。 同理，对莲藕不同藕节在不同压缩速率下的抗压强度进行可重复双因素方差分析，结果显示：压缩速率对抗压强度的影响概率P 值为2.28×10-5<0.01，表明压缩速率对抗压强度的影响为极显著；不同藕节对抗压强度的影响概率P值为6.37×10-6<0.01，表明不同藕节对抗压强度的影响也是极显著；藕节与压缩速率的交互作用对抗压强度的影响概率P值为0.407 6≥0.05，表明两者的交互作用对抗压强度影响不显著。 表1 不同藕节在不同压缩速率下的屈服极限和破坏极限 Table1 The yield limit and failure limit ofdifferent internodes with different loading rate 压缩速率/ 屈服极限 Yield limit 破坏极限 Failure limit (mm/min) Loading rate 1 2 3 1 2 3 4.2 6.1 5.4 72.7 148.3 117.7 15 5.3 6.4 7.8 139.7 147.4 125.2 7.3 7.6 10.2 82.0 156.8 97.4 5.3 7.9 7.3 102.8 150.2 157.7 25 7.3 8.0 9.0 136.8 152.3 158.0 10.5 8.4 11.3 144.6 153.9 140.3 6.8 8.7 10.6 127.1 166.6 159.3 35 9.4 10.2 10.8 137.9 163.6 155.7 9.9 10.5 11.0 122.0 168.2 154.8 8.4 11.7 14.0 153.6 186.3 168.0 45 10.3 13.6 15.3 143.2 181.3 162.7 11.9 14.3 22.6 139.2 170.2 153.2 表2 莲藕不同藕节在不同压缩速率下的屈服强度方差分析 Table 2 The variance analysis of yield strength with different lotus internodes and different rates 差异源 平方和 自由度 均方 F值 P值 F评判 Variation factor Sum of squares Degree of freedom Mean square F value P value F crit 样本 Sample 231.9875 3 77.32917 18.57758 1.89×10-5 3.008787 列 Column 62.765 2 31.3825 7.539339 0.002879 3.402826 交互 Interaction 30.955 6 5.159167 1.239439 0.321594 2.508189 内部 Internal 99.9 24 4. 1625 总计 Total 425.6075 35 3 讨 论 通过压缩试验得到莲藕在压缩过程中的压力-位移曲线，以及对曲线中力的变化分析，可得到莲藕在压缩过程中力的变化规律，发现莲藕在压缩过程中压力存在2个峰值点，即屈服极限和破坏坏限。压力小于屈服极限时，莲藕表面并没有产生明显伤痕，压力值从屈服极限向破坏极限逐渐增加时，莲藕进入塑性变形阶段。莲藕在破坏极限点时，莲藕组织内部细胞发生滑移、变形，在宏观上表现为结构的破坏。 压缩试验结果表明：当质构仪的压缩速率从15mm/min 增加到45 mm/min 时，各个藕节的屈服极限和破坏极限都随着增加；在不同藕节之间，屈服极限的大小依次是第3节最大、第2节次之、第1节最小；不同藕节的破坏极限的大小关系依次是第2节最大、第3节次之、第1节最小。 对不同压缩速率下莲藕不同藕节的抗压强度值进行可重复双因素方差分析的结果表明：压缩速率在15~45 mm/min 范围内变化时，对莲藕3种藕节的破坏极限和屈服极限影响极显著(P<0.01)。莲 藕的不同藕节对各个速率下的破坏极限和屈服极限影响也是极显著(P<0.01)，而压缩速率和不同藕节的交互作用对莲藕的屈服极限和破坏极限无显著影响(P>0.05)。 试验结果表明，莲藕不同藕节在不同压缩速率下的压缩特性差异明显，这可为莲藕的采挖、运输及加工相关方面的力学参数选择提供理论基础，如第1节比较适合直接切片进行深加工，而第2节和第3节抵抗机械损伤能力更强，更适合储藏与运输。但农业物料的物理特性变化较大，本试验仅对鄂莲3537单一品种莲藕的压缩规律进行了分析，今后还应选择其他品种的莲藕进行试验，进一步系统探讨莲藕的抗压特性和压缩规律。 ( 参 考 文 献 ) ( [1 ] 陈坤杰，徐伟梁.含水率对稻谷机械特性的影响[J ] .农业机械 学 报， 2 0 05，3 6 (11 ) ：1 71 -1 7 2，175. ) ( [2 ] C U Q B ， G ONCALV E S F ， M A S J F . 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Thepressure displacement curves of different lotus rhizome nodes under different compressive rates were ob-tained from compression tests by using the texture analyzer， and the corresponding yield limit and failurelimit were obtained，too. The result showed that the yield limit and failure limit increased with the riseof the compressive rates. When compressing rate was the same， the 3rd of the lotus rhizome nodes couldsustain the maximum yield limit， followed by the 2nd， and the the 1st the minimum. As for the failurelimit of the lotus rhizome nodes， the 2nd has the maximum one， followed by the 3rd， and the lst succes-sively. Two-factor variance analysis with duplication was used to analyze the yield limit and the failurelimit， the results showed that both the compression rate and the lotus rhizome nodes had significanteffect on the compressive strength of the lotus root surface. Meanwhile， the interaction between themhad no significant effect on the compressive strength of lotus root surface. Key words lotus root； compression； yield strength； compressive strength 莲藕屈服强度和抗压强度的测定与分析作者：郭洋民，夏俊芳，肖科星，桂鹏华中农业大学工学院 摘   要：为探讨莲藕在压缩过程中的受力情况和不同藕节在不同的加载速率下抗压强度的变化规律，采用质构仪对鄂莲3537的不同藕节进行压缩试验，分析在不同的压缩速率下藕节间的压力-位移曲线，并得到对应的屈服极限和破坏极限。压缩试验测定的结果表明：各藕节的屈服极限和破坏极限都随着压缩速率的增加而增加；相同压缩速率下，3种藕节屈服极限的大小依次是第3节最大、第2节次之、第1节最小，不同藕节的破坏极限的大小依次是第2节最大、第3节次之、第1节最小。对屈服极限和破坏极限进行可重复双因素方差分析的结果表明：压缩速率和不同藕节对莲藕表面的屈服极限和破坏极限有显著影响，但两者的交互作用对莲藕表面的屈服极限和破坏极限无显著影响。关键词：莲藕 压缩 屈服强度 抗压强度