棉花秸秆力学特性试验研究

【摘要】：生物质秸秆预处理是其饲料化、燃料化、肥料化等综合利用的前提与关键,棉花秸秆作为重要的农作物秸秆之一,研究棉花秸秆的力学特性对其有效利用和加工机械的研制具有重要的理论价值和指导意义。本研究考虑棉花秸秆的多样性,分别采集不同产区、不同品种的棉花秸秆为试验材料,利用万能材料试验机和自制夹具对棉花茎秆进行了剪切、弯曲特性试验研究,得到了不同试验条件下棉花茎秆的剪切、弯曲力学特性参数,研究了不同试验因素对棉花茎秆的剪切、弯曲力学特性参数的影响；以棉花秸秆粉末为试验材料,得到了不同试验条件下棉花秸秆粉末压缩应力松弛特性参数,探讨了不同试验因素对压缩应力松弛特性参数的影响,建立了棉花秸秆粉末压缩应力松弛本构方程,并分析了棉花秸秆粉末压缩应力松弛特性参数与木质纤维素含量之间的关联性。研究的主要内容与结论如下： (1)以“鄂棉23号”、“湘杂棉8号”等棉花茎秆为试验研究对象,利用万能材料试验机对棉花茎秆进行单侧剪切试验,分析了加载速度、取样部位、含水率、剪切刀具角度以及剪切部位等因素对棉花茎秆剪切强度τ和剪切功W的影响。研究结果表明：加载速度对棉花茎秆的剪切强度T有显著性影响(PO.05),对剪切功w无显著性影响(P0.05)；取样部位对剪切功W有显著性影响(P0.05),对剪切强度无显著性影响(P0.05),含水率对棉花茎秆的剪切强度T和剪切功w均具有显著性影响(P0.05),刀具角度对棉花茎秆剪切强度τ和剪切功w均无显著性影响(P0.05),且刀具角度为15°的剪切功W明显小于刀具角度为30。的剪切功W。 (2)以“鄂棉23"、“湘杂棉8号”等棉花茎秆为试验研究对象,利用万能材料试验机对棉花茎秆进行三点弯曲试验,分析了加载速度、含水率、取样部位以及标距等因素对棉花茎秆抗弯强度σw和弯曲弹性模量E的影响。研究结果表明：加载速度对弯曲弹性模量E和抗弯强度σw均无显著性影响(P0.05)；含水率对棉花茎秆弯曲弹性模量E有显著性影响(P0.05),对抗弯强度σw无显著性影响(P0.05)；取样部位对抗弯强度σw和弯曲弹性模量E均无显著性影响(P0.05)；标距对棉花茎秆抗弯强度σw和弯曲弹性模量E均有显著性影响(P0.05)。 (3)以棉花秸秆粉末为试验研究对象,利用万能材料试验机进行压缩应力松弛特性试验,获得棉花秸秆粉末应力松弛曲线,利用Matlab软件分别对三元件广义Maxwell模型、五元件广义Maxwell模型和Peleg模型参数与试验测试数据进行拟合分析,结果表明：五元件Maxwell模型能精确完整地表征棉花秸秆粉末应力松弛特性,其拟合决定系数R2的均值达到0.999,本构方程中平衡弹性模量E。均值为4.477MPa,第1应力松弛时间T1均值为4.30s,第2应力松弛时间T2均值为48.48s。运用灰色关联理论,分析了棉花秸秆粉末的木质纤维素含量与应力松弛特性参数的关联性。结果表明,棉花秸秆中半纤维素、纤维素、木质素、中性洗涤纤维以及酸性洗涤纤维对压缩应力松弛时间第一应力松弛时间T1和第二应力松弛时间T2均具有明显的影响,其中,纤维素影响程度最大,对T1和T2的关联度分别为0.85和0.91；半纤维影响程度最小,对T1和T2的关联度分别为0.75和0.80；纤维素、半纤维素、木质素、中性洗涤纤维以及酸性洗涤纤维与平衡弹性模量Ee之间的关联度均在0.70左右,而且数值上相差不大,说明纤维素、半纤维素、木质素、中性洗涤纤维以及酸性洗涤纤维对平衡弹性模量E。影响程度相近。 (4)以平衡弹性模量Ee和应力松弛时间比率之和αm为试验指标,利用万能材料试验机对棉花秸秆粉末进行压缩应力松弛试验,探讨了初始密度、变形量、含水率等因素对平衡弹性模量E。和应力松弛时间比率之和αm的影响。结果表明：在一定条件下,变形量、初始密度以及含水率都对应力松弛过程中松弛时间比率之和αm与平衡弹性模量Ee具有极显著性影响(P0.01)。 【关键词】：棉花秸秆 剪切 弯曲 应力松弛 木质纤维素
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S562
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 研究目的与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 生物质秸秆力学特性研究现状11-12
• 1.2.2 生物质秸秆压缩应力松弛特性研究现状12-14
• 1.3 主要研究内容与技术路线14-16
• 1.3.1 主要研究内容14-15
• 1.3.2 研究技术路线15-16
• 2 棉花茎秆剪切与弯曲力学特性试验研究16-31
• 2.1 材料与方法16-19
• 2.1.1 样品采集与制备16
• 2.1.2 试验仪器16-17
• 2.1.3 试验方法与数据处理17-19
• 2.2 结果与分析19-29
• 2.2.1 棉花秸秆剪切试验结果分析19-24
• 2.2.2 棉花秸秆弯曲试验结果分析24-29
• 2.3 本章小结29-31
• 3 棉花秸秆粉末应力松弛特性与纤维素相关性分析31-43
• 3.1 试验材料与方法31-33
• 3.1.1 样品采集与制备31-32
• 3.1.2 试验仪器32
• 3.1.3 试验方法32-33
• 3.2 数据分析与处理33-35
• 3.2.1 灰色关联理论33-34
• 3.2.2 应力松弛特性模型34-35
• 3.3 结果与分析35-41
• 3.3.1 应力松弛曲线分析35-36
• 3.3.2 应力松弛本构方程的建立36-39
• 3.3.3 应力松弛特性参数与木质纤维关联性分析39-41
• 3.4 本章小结41-43
• 4 棉花秸秆粉末应力松弛特性与木质纤维素相关性分析43-53
• 4.1 材料与方法43-44
• 4.1.1 样品采集与制备43-44
• 4.1.2 试验仪器44
• 4.1.3 试验方法与数据处理44
• 4.2 试验因素与指标44-45
• 4.2.1 试验因素44
• 4.2.2 试验指标44-45
• 4.3 结果与分析45-51
• 4.3.1 变形量对压缩应力松弛试验特性影响分析45-47
• 4.3.2 初始密度对压缩应力松弛试验特性影响分析47-49
• 4.3.3 含水率对压缩应力松弛试验特性影响分析49-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 结论与进一步设想53-56
• 5.1 主要研究结论53-55
• 5.1.1 成熟期棉花茎秆剪切、弯曲特性影响因素研究53-54
• 5.1.2 棉花秸秆粉末压缩应力松弛特性与木质纤维含量关联性分析54
• 5.1.3 棉花秸秆粉末压缩应力松弛特性影响因素研究54-55
• 5.2 进一步研究设想55-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 附录61-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文64

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