摘  要:针对黄麻茎秆割茬质量不佳?切割效率低等问题，为构建数值模拟试验和寻找更适合切割黄麻茎秆的收割刀具，以新鲜黄麻茎秆为研究对象，通过建立基于复合材料力学理论和横观各向同性材料的本构模型，对黄麻茎秆的木质部和韧皮部分别进行轴向拉伸?径向压缩和弯曲等力学特性试验，测定木质部与韧皮部的轴向弹性模量?径向弹性模量?异性面径向剪切模量和同性面轴向剪切模量等相关力学特性参数，并结合复合材料理论正交各向异性材料的参数关系式得到黄麻茎秆材料的本构参数，为后续数值模拟试验提供模拟模型?选取稻麦收割机中的齿形刃和光刃刀片进行Abaqus切割模拟试验，并对比两种刀具的切割能耗和摩擦损耗，结果表明齿形刃刀片因接触面积小?压强高，能显著降低能量损耗和摩擦损耗?研究可为优化黄麻收割装备设计?减少韧皮纤维损伤?提升切口质量和机械效率提供理论依据?

关键词:黄麻茎秆；力学特性；复合材料；纤维损伤；切割刀片

 

黄麻是锦葵科黄麻属一年生草本韧皮纤维作物，是我国传统经济作物之一，其纤维广泛应用于纺织?造纸?绳网制造和生物复合材料等领域^[1]?黄麻在我国种植历史悠久，在印度?孟加拉?越南?泰国等热带和亚热带国家也广泛种植^[2]，是出口创汇的重要农产品?黄麻茎秆作为主要的纤维来源，具有独特的力学特性?由于黄麻茎秆粗细?高矮不均，纤维长度和排列方向差异，使得其力学性能呈现出明显的各向异性和非均匀性，给收获机械的设计带来了挑战^[3]?

目前，对高粗茎秆作物的力学特性研究主要集中在芦竹?牡丹?甘蔗等作物上。廖宜涛等^[4]对收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数进行了试验研究，得到了芦竹顺纹拉伸和压缩的材料特性?马千舒等^[5]直接测量甘蔗的直径?高度和种植密度等参数，并利用力学试验机对甘蔗茎节的扭转?径向和轴向压缩进行试验研究和分析，得到甘蔗不同部位的含水量?弹性模量和扭矩等参数?杜哲等^[6]探究不同因素对油用牡丹茎秆穿刺力的影响?麻类作物的研究也主要在工业大麻?苎麻和红麻茎秆上，对黄麻茎秆力学特性的研究相对较少?吕江南等^[7]?汪志兵等^[8]?龙超海等^[9]对红麻茎秆和蒴果的压缩特性和压力与压缩密度进行了系统性分析，提出了测试力学特性的3种试验方法?沈成等^[10]对苎麻茎秆力学模型进行试验分析，得出了苎麻茎秆的材料特性?周杨等^[11]依据复合材料理论，对工业大麻茎秆进行拉伸?压缩和弯曲试验，测定了其弹性模量?抗拉强度?抗压强度等力学参数，并建立了大麻茎秆的材料模型?上述研究多集中于麻类纤维或茎秆整体的力学特性，尚未对麻类茎秆各组成部分的力学特性和切割此类高粗茎秆作物的刀具进行系统性研究?

为此，本文通过开展拉伸?压缩?弯曲等多种力学试验，测定黄麻茎秆各组分的弹性参数，建立黄麻茎秆的材料模型；通过三维软件SolidWorks建立两种刀具的三维模型，并使用数值模拟软件ABAQUS模拟光刃刀具和齿形刃刀具往复切割黄麻茎秆的数值模拟模型，对比两种刀具的切割能耗和摩擦损耗，寻找最适合切割黄麻茎秆的刀具?研究结果可为黄麻收获机械关键部件的设计(如切割刀具?输送装置等)提供理论依据，同时为优化收获工艺?提高作业效率和质量提供科学指导?

 

1 黄麻茎秆几何模型确立与力学理论分析

试验材料采用国家麻类产业技术体系的新鲜黄麻，全部处于成熟期通体无病态无腐烂，茎秆底部离地50mm，含水率65.61%~72.19%，根部直径20.52~26.80mm，株高2000~3000mm，每株茎秆采用同一位置进行试验?

随机选取20株黄麻茎秆试样，去皮后通过游标卡尺测量其内外径和韧皮厚度，得到试样的平均外径为23.25mm?平均内径为4.99mm?平均韧皮厚度为1.64mm?

黄麻茎秆不同部位和不同个体的外部特征各不相同，其微观构造极复杂，茎秆呈圆柱形或棱形，内部结构包含木质部?韧皮部和海绵体等(见图1)?其中，韧皮部富含长纤维，具有较高的抗拉强度和弹性模量；木质部则为茎秆提供支撑作用，具有较高的抗压强度；髓腔中的海绵体较为疏松，对茎秆的整体力学性能贡献较小?

  

1.木质部；2.韧皮部；3.海绵体?

图1 黄麻茎秆结构组成

黄麻茎秆各个组成部分材料为横观各向同性材料^[12]?假设黄麻茎秆截面为圆形且壁厚上下分布均匀，可采用平均内外径建立模型；由于海绵部过于绵软，可忽略不计；假定含水率对茎秆力学特性参数影响不显著；微观构造存在的缺陷和不连续性可忽略不计，有限长度的茎秆各组成成分为横观各向同性材料；茎秆整秆材料分布一致，边界条件横向载荷均匀分布?通过复合材料力学理论的正交各向异性材料参数关系式，将茎秆的各组分视为复合结构的组成部分，从而构建茎秆的本构模型，如图2所示?

正交各向异性材料可以由9个工程弹性常数表示^[13-14]，分别为径向弹性模量E_X?E_Y，轴向弹性模量E_Z；异性平面径向剪切模量G_XZ?G_YZ，同性平面轴向剪切模量G_XY；异性平面泊松比μ_XY?μ_XZ，同性平面泊松比μ_YZ，其中弹性模量和剪切模量大于0，且μ的取值约为-1~0.5?设黄麻茎秆?木质部和韧皮部的工程常数下标为1?2?3，其三同性面泊松比为μ_XY1=μ_XY2=μ_XY3=0.3?横观各向同性材料关系式为

  

  

1.韧皮部；2.木质部；3.凝聚性粘结层?

图2 黄麻茎秆几何模型

可以通过5个独立的弹性常数构建其材料模型，且5个独立的弹性常数满足公式(1)，且相对独立?在骨髓部忽略不计情况下，只需要分别获得木质部和韧皮部的5个独立的弹性参数，即E_X?E_Z?G_XY?G_YZ?μ_XZ，结合文献[15]研究结果，得到同性面剪切模量G_XY=E_X/[2(1+μ_XY)]?

 

2 黄麻茎秆力学特性试验

2.1 茎秆轴向拉伸力学性能试验

为测得基于复合材料理论的木质部和韧皮部的5个独立参数，需进行力学特性试验?试验材料采用国家麻类产业技术体系安徽省六安市黄麻试验站选育的新鲜黄麻，品种为中黄麻3号?设备采用深圳三思纵横设备有限公司生产的电子万能试验机，型号为UTM6503，最大试验力为5kN，精度等级为0.5级?电子万能试验机输出应力应变曲线，取没有打滑?卡断和失效现象的有效试验组?

2.1.1 木质部

为集中控制应力以确保断裂发生在有效区域，同时为增大与夹具的接触面积，防止拉伸过程中打滑，参照金属拉伸试验(ISO 6892-1:2019)所用试样形状，木质部试样需设计成中间细两端宽的形状?试样平均宽度为0.9mm，平均厚度为0.6mm，试验加载速度为1mm/min，木质部轴向拉伸试样和试验如图3和图4所示，各组试验数据如图5所示?

  

图3 木质部轴向拉伸试样

  

图4 木质部轴向拉伸试验

  

图5 木质部拉伸应力应变曲线

对图5数据进行计算可得，抗拉强度平均值为13.06MPa，最大值为22.06MPa，最小值为8.53MPa；轴向拉伸弹性模量平均值为359.14MPa最大值为433.33MPa，最小值为284.556MPa?

2.1.2 韧皮部

随机选取根部往上50cm处的韧皮，按韧皮纹理剪裁作为试验材料，尺寸要尽量小，长120mm?宽1~2mm?厚1~2mm，截面形状近似为矩形截面，试验加载速度为2mm/min?韧皮部轴向拉伸试验如图6所示，各组试验数据如图7所示?由图7数据计算可得，轴向抗拉强度平均值为63.13MPa，最大值为100.89MPa，最小值为21.36MPa；轴向拉伸弹性模量平均值为4438.12MPa，最大值为7087.17MPa，最小值为3020.27MPa?由韧皮部试验结果可知，在预紧滑移阶段后载荷随着位移的增大呈线性增大，随后开始进入急弹性变形阶段，弹性变形阶段线性关系良好；随着载荷进一步增大进入缓弹性变形阶段，当载荷到达最大极限后，试样被拉断裂，载荷缓慢下降而非瞬间降低，说明纤维不是同时断裂而是逐根断裂?

  

图6 黄麻韧皮部轴向拉伸试验

  

图7 韧皮部拉伸应力应变曲线

2.2 茎秆径向压缩力学性能试验

取距根部50cm的黄麻茎秆，为满足试验统计需求，又避免浪费，分别取10组木质部和韧皮部试样做黄麻茎秆径向压缩试验?木质部试样是把茎秆表面的韧皮和内部髓腔的海绵体去除，制作长5~10mm?宽5~7mm?厚7~9mm截面形状近似为矩形截面的长方体块，试验加载速度为1mm/min；韧皮部试样是将茎秆的木质部去除干净，留下表层韧皮纤维层，将其制作成长10~15mm?宽10~15mm，截面形状近似于矩形的长方体块，厚度取决于黄麻韧皮部自身的实际情况，如图8(a)所示?

木质部与和韧皮部径向压缩试验如图8(b)所示，试验采用专用的圆盘形压头，设定试验最大力为1kN，试验加载速度为1mm/min，预紧力5N；将木质部试样放置在下压头平面中央，输入试样的几何参数，结果参数选择压缩模量和压缩强度，主图像选择应力-应变关系；启动万能试验机进行预紧，并将各项指标调0，点击开始按钮进行试验数据自动采集，当压力值超过1kN时试验自动停止?

  

图8 黄麻径向压缩试验和试样

由图9?图10可知，黄麻径向压缩时木质部的平均弹性模量49.63MPa，最大值112.15MPa，最小值25.43MPa，平均抗压强度1.53MPa；韧皮部的平均弹性模量109.49MPa，最大值147.46MPa，最小值74.2MPa，平均抗压强度24.8MPa?径向压缩试验施加的载荷超过黄麻各组分的最大抗压强度后，试件被压裂，试件的应力稳定且应变很小，呈现出一定的线性特征?

  

图9 木质部径向压缩应力应变曲线

  

图10 韧皮部径向压缩应力应变曲线

2.3 茎秆径向弯曲力学性能试验

选根部往上50cm通直?无腐烂和损伤的黄麻茎秆，利用手锯制作长160mm的管状试样?去除表面韧皮纤维层后，根据试样本身情况确定木质部的内外径?径向弯曲试验采用三点弯曲法，试验设备为万能试验机，使用游标卡尺测量各试样的外径D?内径d，并记录?选择三点弯曲试验标准，试验加载速度为5mm/min，将黄麻茎秆试样水平放置在试验机自带的压头与支座之间，支座跨距为120mm，试验前向下运动压头对试样进行微调，确保压头正对试样中点位置，径向弯曲试验如图11和图12所示?

 

图11 黄麻茎秆径向弯曲试验

  

图12 木质部径向弯曲试验

按照GB/T 232—2024《金属材料弯曲试验方法》并结合文献[16-17]，压头刀刃半径取5cm，由于黄麻茎秆的截面半径近似于管状，通过材料力学基础可求出其惯性矩I?弯曲弹性模量E?弯曲过程中的最

大力矩M_max?试样承受的最大载荷F_max等参数，即

  

式中:D为管状试样外径的数值，单位mm；d为管状试样内径的数值，单位mm；l为三支点标距的数值，单位mm；y为弯曲挠度的数值，单位mm；W_z为圆管截面截面模量的数值，单位mm³；σ为圆管截面正应力的数值，单位MPa?

参考GB1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》，获取黄麻茎秆的径向剪切刚度和剪切模量，即

  

式中:U为剪切刚度的数值，单位N；Δp为弹性阶段载荷增量的数值，单位N；L为跨距的数值，单位mm；f为跨中挠度增量的数值，单位mm；f1为外延挠度增量的数值，单位mm；a为外延长度的数值，单位mm；G为剪切模量的数值，单位MPa；U为剪切刚度的数值，单位MP?

黄麻茎秆和木质部径向弯曲试验的杨氏弹性模量平均值力-位移曲线如图13和图14所示?

  

图13 黄麻茎秆径向弯曲载荷位移曲线

  

图14 木质部径向弯曲载荷位移曲线

由图13?图14可知，黄麻茎秆径向弯曲平均弹性模量为34.01MPa，木质部径向弯曲平均弹性模量为55.89MPa；茎秆和韧皮部的异性面剪切模量明显低于木质部的异性面剪切模量?当承受一定载荷后径向弯曲过程中出现脆断现象，当载荷位移曲线急剧下降时，即是施加载荷超过了最大破坏力，试件发生断裂，直至整体被折断?因此，黄麻茎秆木质部和韧皮部整体参数符合复合材料特性^[18]?

2.4 弹性参数的确定

木质部和韧皮部占整个茎秆的体积比可表示为

  

式中:h为平均韧皮厚度的数值，单位mm；V₁为木质部体积比；V₂为韧皮部体积比?

计算可得V₁=0.725，V₂=0.275?黄麻茎秆韧皮具有较强的韧性，故无法通过弯曲试验测得其径向剪切模量，根据黄麻茎秆复合材料特性，茎秆?木质部和韧皮部的径向剪切模量满足

  

由式(6)可得，韧皮部的径向剪切模量G_XZ3=17.36MPa?根据复合材料理论正交各向异性材料的参数关系式，同性面轴向剪切模量可以由材料在各项同性面内的弹性模量?剪切模量和泊松比的关系，以及异性面泊松比与径向弹性模量?轴向弹性模量和同性面泊松比关系为

  

由式(7)可得，木质部和韧皮部的同性面轴向剪切模量G_XY1=19.09MPa?G_XY2=42.11MPa，异性面泊松比μ_XZ1<0.1784?μ_XZ2<0.025?

 

3 茎秆切割刀片选型

由于目前尚无黄麻收获机专用刀片，故借鉴现阶段市面上常用的稻麦收割机刀片?为便于对比分析，选用两种不同结构和几何参数的稻麦收割机刀片，如图15所示?其中，图15(a)为齿形刃刀片，采用与普通联合稻麦收割机刀片相似的基本结构参数，即刀片下底边宽度a₀=76mm，刀片高度b₀=120mm，两个平衡孔间距c₀=51mm，刀片短边长度d₀=32mm，上底边宽度e₀=12.5mm，平衡孔底部到刀片下底边距离h₀=18mm，平衡孔直径k₀=6mm，刀片厚度t₀=3mm；图15(b)为光刃刀片，采用福田麦克GE50小麦收割机动刀片的基本结构参数，即刀片下底边宽度a₁=50mm，刀片高度b₁=165mm，平衡孔底部到刀片下底边距离c₁=16mm，刀片短边长度d₁=60mm，平衡孔直径e₁=12.8mm，刀片厚度t₁=3mm，刀片宽m=7mm?

  

图15 两种刀具试样图

本文刀片采用滑切方式且切削对象为高强度麻类茎秆，结合钢材的用途分类，确定刀片选用高碳合金钢，材料为65Mn^[19]，材料参数如表1所示?

表1 割刀材料参数

  

 

4 黄麻茎秆数值模型构建

4.1 模型构建

在切割过程中，黄麻茎秆出现很多弹性?塑性的应力应变?茎秆切割分为两个阶段:①弹性变形阶段，割刀切割茎秆前，茎秆发生弯曲变形；②塑料变形阶段，割刀切入茎秆时，割刀和茎秆接触部分由弹性变形转变成塑性变形?随着作用力的增加，茎秆表面破坏，直至整个切割过程结束，破坏发生时，大变形必然会随着材料的失效而发生?

选择茎秆的屈服准则为Tsai-Wu准则?构建的茎秆数值模型需满足:①考虑到茎秆表面不均匀，假设模型为等截面的圆柱体，外径设为23.25mm；②忽略茎秆髓腔内海绵体的力学性能，假设髓腔为中空结构，内径设为4.99mm，韧皮厚度设为1.64mm；③不考虑茎秆间的相互作用，建模对象为单根茎秆；④切割部位距离地面50mm处；⑤木质部和韧皮部之间采用0厚度的cohesive单元连接?

黄麻茎秆为横观各向同性材料，得到的复合材料参数如表2所示?由于茎秆为规则结构，故采用Abaqus软件中Volume-Free方式划分网格^[20]?为减少Abaqus计算时间，只将被切割部分网格进行细化，网格尺寸为0.4，其余部分可粗化处理，网格尺寸为0.8?获得的茎秆网格图如图16(a)所示，茎秆网格划分后，建立CohesiveSeam-1-Elements单元集，如图16(b)所示?

表2 黄麻茎秆材料本构模型参数

  

  

图16 黄麻茎秆数值模拟模型示意图

4.2 材料失效准则

基于复合材料理论，在ABAQUS中引入三维Hashin失效准则^[21-22]，由于Hashin失效准则只适用于二维，故三维Hashin失效准则需要引入Vumat子程序，分为纵向拉伸(纤维方向拉伸)?纵向压缩(纤维方向压缩)?横向拉伸(基体方向拉伸)?横向压缩(基体方向压缩)等4种失效模式?

1)纤维拉伸失效?当轴向应变ε₁₁>0时，纤维处

  

于拉伸状态，则其中，e_1t=f_1t/C₁₁，e₁₂=f₁₂/2G₁₂；e₁₃=f₁₃/2G₁₃?ε₁₁为沿纤维方向的轴向总应变；e_1t为纤维拉伸失效应变；e12?e13表示纤维剪切失效应变；C₁₁为横观各项同性刚度矩阵中的元素；G₁₂为X-Y平面内的剪切模量；G13为X-Z平面内的剪切模量；r_ft为纤维拉伸失效指标，当r_ft≥1时，纤维发生拉伸失效?

2)纤维压缩失效?当轴向应变ε₁₁<0时，纤维处于压缩状态，则

  

其中，e1c=f1c/C₁₁；r_fc为纤维压缩失效指标，当r_fc≥1时，纤维发生压缩失效?

3)基体拉伸失效?当横向应变ε₂₂+ε₃₃>0时，基体处于拉伸状态，则

  

其中，e_2t=f_2t/C₂₂；ε₂₂表示垂直于纤维方向的横向总应变；C₂₂表示横观各项同性刚度矩阵中的元素；r_mt表示基体拉伸失效指标，当r_mt≥1时，基体发生拉伸失效?

4)基体压缩失效?当横向应变ε₂₂+ε₃₃<0时，基体处于压缩状态，则

  

其中，e_2c=f_1t/C₂₂，e_3c=f_3c/C₃₃，e₁₂=f₁₂/2G₁₂，e₁₃=f₁₃/2G₁₃，e₂₃=f₂₃/2G₂₃；ε₃₃为材料厚度方向的总应变；C₃₃为横观各项同性刚度矩阵中的元素；G₂₃为Y-Z平面内的剪切模量；r_mc为基体压缩失效指标，当rmc≥1时，纤维发生压缩失效?

在ABAQUS中定义破坏演化^[23]参数，输入4种失效模式对应的断裂能:纤维拉伸断裂能G_1tc?纤维压缩断裂能G_1cc?基体拉伸断裂能G_2tc?基体压缩断裂能G_2cc?

Hashin失效相关参数如表3所示?

表3 Hashin失效相关参数

  

 

5 ABAQUS仿真结果

将黄麻茎秆模型分别使用两种基础刀具进行对向切割^[24]，切割速度为0.15m/s，质量缩放采用扩展到目标时间增量，取值为0.01，得到的切割效果如图17所示?

  

图17 两种刀具切割茎秆效果图

在后处理板块中，通过Create Display Group模块来隐藏刀具，可以直观判断不同刀具切割黄麻茎秆的切口均匀性和脆断性等?两种刀具切割黄麻茎秆的断口如图18所示?

  

图18 两种刀具切割茎秆断口图

后处理模块中，切割茎秆产生的切割能耗如图19所示，摩擦能损耗如图20所示?由图19可知，齿形刃刀片和光刃刀片在切割过程中产生的切割能耗均呈逐步缓慢上升趋势，在切断木质部的时候达到最大值；齿形刃刀片产生的切割能耗约为523J，光刃刀片产生的切割能耗约为629J，齿形刃刀片产生的能量损耗更小?由图20可知，齿形刃刀片产生的摩擦损耗约为276J，光刃刀片产生的摩擦损耗约为1208J，齿形刃刀片的摩擦能损耗更小?这是因为齿形刃刀片呈现锯齿状，刃口曲率半径小，接触面积极小，能以高压强快速切入茎秆，减少滑动摩擦；同时，当接触面积较小时，相同法向力下压强增大，更容易切断植物纤维，减少了滑动阶段的摩擦时间?

  

图19 两种刀具切割茎秆总能量损耗

  

图20 两种刀具切割茎秆摩擦能损耗

6 结论

1)使用电子万能机分别测定收获期黄麻茎秆试样各组分的径向弹性模量?轴向弹性模量和黄麻茎秆?木质部的异性面剪切模量，根据正交各向异性材料公式和复合材料力学理论得出黄麻茎秆各个组分的弹性参数?

2)由于不同试样的黄麻茎秆样本的抗拉强度和弹性模量相差很大，取10组数据的平均值作为试验测定值；黄麻茎秆各组分试验测定值和计算公式值相近，证明黄麻茎秆各部分符合复合材料特性?

3)通过数据对比可知，在切割过程中齿形刃刀片产生的能量损耗和摩擦能损耗更小，为刀具形状优化提供了理论基础?

 

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文章摘自:韩宇飞,纪爱敏,田昆鹏,等.黄麻茎秆力学特性参数测定与切割数值模拟试验[J/OL].农机化研究,1-9[2026-05-24].https://link.cnki.net/urlid/23.1233.S.20260420.1619.004.