1有限元分析法
国内外有许多学者结合谷物的物理特性，建立有限元模型，应用有限元方法来研究谷物的力学特性。和实验和数学计算方法比较，有限元法可以获得谷物受载荷时的微观力学特性，以及谷物内部应力分布规律。Irudayaraj等[22-23]根据材料的粘弹性，利用二维有限元程序计算了玉米纵截面上的各应力分量随时间变化的过程。并通过有限元分析求出了烘干过程中玉米内部最大应力出现的时间、位置，以及与外界烘干条件的关系。李新平等[24]对玉米种子力学特性进行了有限元分析，通过建立玉米种子的物理模型和有限元计算模型，模拟加载过程，分析了玉米种子在顶部和腹部施加载荷的变化情况，应力分布云图如图1、图2所示。分析结果显示：玉米种子宏观破裂位置和破裂方向与LDS微型控制电子拉力实验机上对玉米种子进行压缩实验得到结果的一致，并获得不同施力位置载荷下的微观力学特性。张克平等[19]结合小麦籽粒的几何特征，建立了受挤压时的有限元模型，通过分析得出：用有限元分析法模拟小麦籽粒在3种不同压缩型式下的力-位移曲线，和实验得到的力-位移曲线最大偏差为12%；小麦籽粒受压缩载荷是的内部应力云图如图3所示，小麦籽粒在H型和B型压缩时，最大应力出现在腹沟附近与实验结果一致。
2谷物组织结构与力学性能
2.1谷物内部结构与力学性能
由于谷物内部组织结构复杂，各部分物质成分不同，机械强度也不一样。因此谷物的内部结构对力学性能有较大影响，研究谷物力学性能需与内部结构结合起来进行分析。小麦籽粒由麦皮、胚乳和胚等部分组成，其中麦皮由果皮、种皮、珠心层和糊粉层组成[25]。文献[26]通过实验得到的数据证明了含水率相同时，小麦皮层和胚乳的机械强度不同；含水率不同时，胚乳、皮层和麦粒的机械强度变化趋势不同，胚乳的水分越低，强度越高，但皮层则相反。小麦在制粉前要先对其润麦处理，使小麦的不同组织含有不同的水分，这样降低了各组分的硬度，进而降低了小麦的机械强度，从而减少了研磨时的能量损耗。陈志成、李硕碧等通过对不同硬度的小麦观察他们的微观结构发现：硬质小麦的皮层结构比软质小麦的皮层结构紧密，而且分层更清晰；硬质小麦的胚乳结构比软质小麦的致密；硬质小麦的蛋白质与淀粉比软质小麦的蛋白质和淀粉的结合更紧凑[25，27]。玉米籽粒结构为：种皮、胚、胚乳（粉质胚乳和角质胚乳）和位于基部的果柄。张锋伟等[20]对玉米籽粒力学性能进行实验分析表明：随着含水率的增加，玉米籽粒的硬度、抗压能力和抗剪能力都明显下降，而且过纵轴的抗剪能力明显高于过横轴的抗剪能力。分析其原因：玉米籽粒的侧面主要由角质胚乳组成，而角质胚乳的硬度又大于粉质胚乳和胚，所以角质胚乳在抗破碎中起着至关重要的作用。Brass[28]实验发现：玉米籽粒不同结构的力学特性均不相同，所以各部分能承受冲击力的程度也不同。玉米的破裂过程首先发生在内部结构尖冠、胚、粉质淀粉、角质淀粉，最后才是种皮。张洪霞[29]通过对稻米力学指标主成分进行了分析，得到：主成分PRIN1主要综合了硬度、弹性模量、剪切破坏力、挤压破坏应力、松弛模量第2分量等5个因子的变异信息，这5个变量跟稻米的硬度有关，因此称PRIN1为“硬度因子”；主成分PRIN2主要综合了剪切破坏能、松弛模量的第一分量、及松弛时间的第一分量等3个因子的变异信息，这3个变量跟稻米的弹性有关，因此称PRIN2为“弹性因子”；第3个主成分PRIN3主要综合了挤压破坏力、松弛时间的第三分量，这2个变量跟稻米的黏性有关，因此称PRIN3为“黏性因子”。
2.2谷物几何特征与力学性能
谷物的几何特征独特，大量研究结果显示，几何特征对谷物的力学性能具有重要的影响。力学实验中对谷物的挤压主要有三种形式：腹面（或H型）、侧面（或B型）和顶面（或L型），如图4和图5所示。对谷物的剪切主要有两种形式：纵轴剪切和横轴剪切，如图6所示。玉米种子抗压特性实验的结果显示[15]：含水率相同的同一品种，最大破裂力在平放时最大，侧放时次之，立放时最小，而且平放时的最大破碎是立放的2.21倍左右；同一种放置方式时，不同品种玉米种子的压力各不相同；不同放置方式时，不同的受压面生成裂纹的部位、形状和规律也不同，对不同含水率的小麦籽粒的挤压实验[19]分析得到：H型与L型挤压时的弹性模量变化较接近，而且变化范围较大，L型挤压时的变化较小，而且H型和L型的最大弹性模量是B型的1.17倍左右；三种挤压形式下的屈服强度的顺序为L型＞B型＞H型，而且L型的屈服强度是H型的1.47倍左右；最大变形的顺序为B型＞L型＞H型，而且B型是H型的1.32倍。玉米种子不同面冲击实验得：腹面所能承受的最大冲击力最大，侧面居中，顶面最小[30]。
2.3谷物品质性状与力学性能
孙戌旺等[17]对小麦籽粒抗破碎力与其品质性状关系研究得出：小麦籽粒的抗破碎力与蛋白质含量呈极显著正相关，与湿面筋和干面筋呈显著正相关，与淀粉呈负相关，与其他品质性状的相关性不明显。米饭的口感通常与米饭的硬度、弹性及粘度有关。张洪霞等[31]对米饭的双面剪切实验获得与米饭口感特性相关的力学指标的相关性：硬度与最大剪切力、破坏能及松弛力分量成正相关；最大剪切力与松弛力分量成正相关；剪切破坏能与最大剪切力及松弛力分量成正相关。张海艳[32]对玉米籽粒品质性状及其相互关系分析表明：角质率与醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白含量呈极显著正相关，与峰值粘度、膨胀势呈极显著负相关；容重与角质率、糊化温度呈极显著正相关，与各淀粉组分含量呈负相关；支链淀粉与含量与糊化温度呈正相关，与其他粘度指标呈负相关；直链淀粉含量与膨胀势、峰值粘度、最终粘度、峰值时间和糊化温度均呈正相关。王岩等[33]对稻米抗剪切力与其品质性状研究得到：剪切力与蛋白质含量呈负相关，说明蛋白质在很大程度上影响稻米的硬度，蛋白质含量越低，稻米越硬，其食味值越高；与食味值呈显著正相关，说明稻米越硬，其食味值越高。与其他品质性状相关性不明显。
3谷物的力学特性
3.1谷物的力学-流变学特性
流变学是指从应力、应变、温度和时间等方面来研究物体变形和（或）流动的物理特性。流变学是力学的一个新分支，主要研究的是物体在外力作用下的变形和流动的学科。大多谷物籽粒及种子都属于非牛顿流体，研究他们的力学-流变学特性，可为设计各种农业机械提供可靠的理论依据，也可减少谷物在干燥过程中由于内部热应力和湿应力而引起的内部裂纹[34]，还可以减少其在收获、装运、贮存和加工等环节的损伤[35]。李国文等[36]通过研究糯米、玉米等粉料的在线流变特性得出：谷物种类不同，其流变特性参数及其曲线有着明显的差异；同一种物料，流变特性由于含水率的变化也随之变化；反映物料流变特性的重要参数-表观粘度（ηa）随着剪切率（γ）的增加而减小。马小愚等[37]研究了东北地区大豆与小麦籽粒力学-流变学性质，得到了小麦籽粒挤压时几种主要力学性质，侧面挤压时弹性常数为324.83～464.23MPa，屈服力为29.61～38.76MPa，破坏力为75.17～139.24MPa；腹面挤压时弹性常数为443.63～767.40MPa，屈服力为33.65～36.05MPa，破坏力为99.03～138.84MPa。
3.2谷物的力学性能指标
谷物的力学指标有：剪切力、挤压力、最大应力、强度、弹性模量、屈服强度、破碎力、破碎应力和破碎能等[11，24，38-39]。对不同含水率的同一品种，同一含水率的不同品种，在不同的实验位置（腹面、侧面、顶面）对其进行挤压和剪切实验时，所受的力不尽相同。小麦籽粒挤压实验[19]，对含水率在9.1%～21.6%范围内的冬小麦籽粒在3种压缩型式（B型、H型和L型）下的破碎负载为63.44～154.77N，弹性模量为98.86～206.59MPa，屈服强度为0.8～1.95MPa，最大应变为0.71%～1.02%；含水率相同时，破碎负载的顺序为B型压缩时最大，L型压缩时次之，H型压缩时最小。小麦剪切实验[18]得到：当实验剪切速度确定为1mm/min，不同品种间抗剪切力存在显著差异，剪切力值分布在69.14～124.1N之间。大米籽粒压缩特性实验[11]获得：不同品种大米的破坏能、破坏力差异为极显著，弹性模量差异为显著，而破坏应力差异不明显；各力学指标的变化范围为：弹性模量：257.28～299.74MPa，破坏能：2.48～4.28N•mm，破坏应力：16.41～19.48MPa。糯米剪切实验[12]得到：不同品种糯米的剪切力学指标：硬度、破碎能、破碎力、破碎应力的差异均为极显著；各个剪切力指标的变化范围为：硬度：21.54～77.93MPa；破碎能：2.18×10-3～7.74×10-3N•m；破碎力：15.91～33.13N；破碎应力：2.48～6.60MPa。糯米三点弯曲实验[21]中得到了破碎力分布特性如图7所示。由图7可知，腹面压缩时糯米的破碎力平均值为25.39～31.97N；侧面压缩时破碎力平均值为24.65～28.63N，而且腹部的三点弯曲破碎力分布相对较分散，呈多峰分布，背部三点弯曲破碎力分布相对较集中。Kamst等[40]的研究证明：在同等条件下糙米所能承受的抗压强度比抗拉强度大，因而使稻米破碎的力为拉应力或弯曲应力。玉米种子抗压特性实验得到[15]，含水率相同的同一品种，最大破裂力在平放时最大，侧放时次之，立放时最小；同一种放置方式时，不同品种玉米种子的压力各不相同；不同放置方式时，不同的受压面生成裂纹的部位、形状和规律也不同。玉米种子内部裂纹实验[35]获得，玉米种子内部机械裂纹主要发生在籽粒冠部并向周边扩展；实验中3种玉米种子普遍存在内部机械裂纹，其中长裂纹平均损伤率为39.8%，1条长裂纹和2条长裂纹的损伤率各为12.4%、3条长裂纹的损伤率为15.0%。
4结论与展望
由于谷物力学特性在其收获、运输、干燥、储藏及加工过程中的重要意义，正越来越受到研究工作者的广泛关注，通过实验、数学计算和有限元等方法的综合应用，对谷物的力学特性有了深入研究，但现有的力学模型、有限元模型均将谷物视为各向同性材料，且谷物的几何特征、不同的物质成分并没有得到准确地反映。分析目前的研究现状，谷物力学特性的研究还将朝着以下两个趋势发展：实验和数学分析进一步深化，如分析过程中考虑谷物材料的各项异性特征；借助有限元等先进分析方法，建模过程中更加准确考虑谷物几何结构特征以及不同组成成分的物理特性，并以实验结果对有限元模型进行验证和修正。
作者：张克平 贾娟娟 吴劲锋 单位：甘肃农业大学工学院
