玉米秸秆力学特性与理化指标及其关联性

【摘要】：我国秸秆资源丰富，但利用率相比较低，大部分秸秆资源被弃置浪费，在社会主义新农村建设过程中，开发合理的利用途径，就显得尤为重要。了解和掌握农作物秸秆性质，尤其是各种在工程应用中所必须的力学特性与理化指标，可为设计各种农业机械和系统，如生产、处理、加工、运输、包装、贮藏和质量检测等提供合理和可靠地依据。秸秆的化学组成特性测试步骤复杂，测试的时间周期较长，同时它与力学特性存在着相关关系，所以拟建立力学特性与化学组成的相关模型，通过力学指标的提取，达到对化学组成含量的获得，可以实现快速检测。本课题从玉米秸秆的基本组成成分，水分等入手，对与玉米秸秆拉伸、弯曲、剪切、摩擦、应力松弛等力学特性及相关特性进行了研究，从而为传统农业中针对玉米秸秆的生产加工作业以及农作物秸秆资源的进一步开发利用提供依据。主要研究内容有： （1）采取图像处理方法对玉米秸秆不规则截面进行了截面特性指标提取（包括截面面积和轴惯性矩，抗弯截面系数），与其它传统测量方法的相关系数均在0.96~0.99之间，通过检验，方法的误差小于2%；惯性矩与抗弯截面系数计算时，可以最大限度的将秸秆空洞带来的影响排除，为秸秆截面研究找到了理想的方法。 （2）在万能试验机上针对玉米品种、生长时期、取样部位、含水率、加载速度等因素对秸秆外皮进行了拉伸、弯曲、剪切力学特性试验研究。结果表明：成熟期秸秆的抗变形能力优于灌浆期；含水率与加载速度对试验影响存在交互作用，相同的状态下剪切破坏形式的破坏功耗较小，且水分为25%左右，速度在20mm/min时功耗最小；在1~20mm/min速度范围之间，对剪切和拉伸指标有较显著的影响，对弯曲试验力学特性指标结果影响不明显；含水率在5%~45%之间，秸秆的弹性模量存在最大值，最大值对应的含水率与品种有关。 （3）玉米秸秆散粒物料在不同接触材料上休止角，壁面摩擦系数和内摩擦系数进行试验研究。结果表明：含水率较低情况下的物料，休止角主要受粗糙度影响，即木板铁板有机玻璃板；在5%~45%含水率之间，与木板的壁面摩擦系数存在最小值，而铁板和有机玻璃板存在最大值，且三种材料的壁面摩擦系数的极值均出现在含水率为25%左右处；含水率在25%左右时，物料的内摩擦系数最大。 （4）对玉米散粒物料在不同含水率下进行应力松弛试验。结果表明：含水率对松弛模量和松弛时间的影响均为显著的非线性关系，在5%~45%含水率之间，两元件麦克斯韦模型松弛模量均是先升高后降低，松弛时间变化规律则为先降低后升高，极值均出现在25%左右。 （5）对纤维素、半纤维素、木质素、N元素含量进行测定，基于因子分析法探讨玉米秸秆力学特性与理化指标的相关性，并基于BP神经网络对秸秆的化学成分进行预测分析，预测准确率在90%左右。 【关键词】：玉米秸秆 力学特性 组成成分 截面特性 相关性
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S226
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 1 引言11-18
• 1.1 研究的目的与意义11-13
• 1.1.1 秸秆综合利用的意义11-12
• 1.1.2 课题的研究目的及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 国内研究现状14-15
• 1.2.2 国外研究现状15-16
• 1.3 选题以及研究内容16-18
• 1.3.1 课题来源16-17
• 1.3.2 研究的主要内容17-18
• 2 玉米秸秆化学组成特性研究18-26
• 2.1 试验材料的选取与贮存18
• 2.2 纤维素等物质组成测定18-21
• 2.2.1 试验材料与试剂准备18-19
• 2.2.2 测试试验方法19-21
• 2.3 大量营养元素氮含量测定21-22
• 2.4 结果与分析22-25
• 2.4.1 组成成分的统计分析22-24
• 2.4.2 营养元素氮的统计与分析24-25
• 2.5 小结25-26
• 3 玉米秸秆物理特性与截面特性方法研究26-41
• 3.1 玉米秸秆物理特性研究26-31
• 3.1.1 玉米秸秆水分测定26-27
• 3.1.2 玉米秸秆密度测试27-28
• 3.1.3 结果与分析28-31
• 3.2 玉米秸秆截面特性测试31-40
• 3.2.1 玉米秸秆截面面积计算31-37
• 3.2.2 玉米秸秆惯性矩计算研究37-38
• 3.2.3 结果与分析38-40
• 3.3 小结40-41
• 4 玉米秸秆力学特性试验研究41-59
• 4.1 试验材料与装置41-45
• 4.1.1 试验材料41-42
• 4.1.2 试验装置选择与设计42-45
• 4.2 力学特性试验方法及指标提取45-48
• 4.2.1 力学测试试验方法45-47
• 4.2.2 试验指标提取47-48
• 4.3 拉伸特性试验研究48-52
• 4.4 弯曲特性试验研究52-55
• 4.5 剪切特性试验研究55-58
• 4.6 小结58-59
• 5 玉米秸秆散粒物料特性试验研究59-76
• 5.1 试验材料与装置59-61
• 5.1.1 试验材料59-60
• 5.1.2 试验装置选择与设计60-61
• 5.2 散粒物料摩擦特性研究61-70
• 5.2.1 试验方法61-63
• 5.2.2 指标提取63
• 5.2.3 试验结果与分析63-70
• 5.3 散粒物料应力松弛特性研究70-75
• 5.3.1 试验方法70-71
• 5.3.2 指标提取71-73
• 5.3.3 试验结果与分析73-75
• 5.4 小结75-76
• 6 力学特性与化学组成相关性分析76-85
• 6.1 因子分析过程76-78
• 6.2 基于 BP 神经网络的秸秆化学成分预测78-83
• 6.2.1 BP 神经网络的网络结构78-79
• 6.2.2 BP 神经网络的数学描述79-81
• 6.2.3 BP 神经网络的网络设计81-83
• 6.2.4 结果分析83
• 6.3 小结83-85
• 7 结论85-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92
• 附录92-110
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文110

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