豌豆子粒的力学性能试验分析

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翻新时间：2023-04-26

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豌豆子粒的力学性能试验分析

摘要：利用材料力学万能试验机进行了豌豆（Pisum sativum L.）压缩、剪切力学性能试验，并采用针尖压入法对豌豆子粒进行硬度试验分析。结果表明，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度随着含水率的增加均有明显下降;在相同含水率下，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度在平放时最大，侧放时次之，立放时最小;硬度与含水率呈显著性负相关，而与压痕深度相关性不明显。

关键词：豌豆（Pisum sativum L.）子粒;力学性能;硬度

Analyzing Mechanical Properties of Pea

Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Pea compression， shear mechanical tests were conducted by using the mechanical universal testing machine. The hardness of the pea was studied with needlepoint pressing-in method. The results showed that with the increase of moisture contents， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength decreased obviously. At the same contents of moisture， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength was the largest when it was placed in the position of lying in flat， smallest when placed in standing， and medium when placed with lying on side. Hardness and moisture content was significantly negatively correlated. There was no obvious correlation with the indentation depth.

Key words： pea grain;mechanical properties;hardness

1 材料与方法

1.1 材料

试验仪器为深圳SANS公司制造的CMT2502型微机控制电子万能试验机。试验过程中可实时动态显示挤压力、位移、变形、加载速度及试验曲线，具有曲线高级分析功能，能自动计算弹性模量、屈服强度、破碎负载、最大变形等参数，最大试验力为500 N，力分辨率为0.01 N，位移分辨率为0.001 mm。

2 结果与分析

2.1 豌豆子粒的压缩性能试验结果

1）豌豆子粒压缩性能试验结果见表1，不同含水率和放置方式下的豌豆破碎负载及其变化规律如图3所示。在选取试验因素水平范围内，同一受力方向下的破碎负载随含水率提高而减小，含水率为18.3%时破碎负载最小，含水率为10.3%时破碎负载最大。在同一含水率下，平放时破碎负载最大，侧放时次之，立放时最小。

通过Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和破碎负载之间的函数关系式表示为：

2）豌豆弹性模量是衡量产生弹性形变的难易程度，弹性模量越大表明其在一定压力作用下发生的弹性变形越小。本试验应用的CMT2502型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录弹性模量的功能，可以测得豌豆在任意压力和形变量下的弹性模量，计算弹性模量计算平均值（表1）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的弹性模量变化规律如图4所示。3种不同放置方式下的豌豆弹性模量均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时弹性模量最大，侧放次之，立放最小。由Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和弹性模量之间的关系式表示为：

EP=749.592-33.693X r2=0.985 5 （4）

EL=655.072-32.343X r2=0.972 2 （6）

由式（4）至式（6）可知，豌豆含水率和弹性模量之间关系近似为递减的一次函数，3种不同放置方式下，含水率与弹性模量的关系曲线近似为直线。其中，平放时决定系数r2=0.985 5;侧放时决定系数r2=0.983 4;立放时决定系数r2=0.972 2，关系函数拟合良好。

2.2 豌豆子粒的剪切性能试验结果

在同一含水率下，平放时豌豆的剪切力最大，侧放次之，立放最小。通过Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切力之间的函数关系式表示为：

FL=66.949 2-2.035 2X-0.042 3X2 R2=0.934 9 （9）

2）本试验使用的CMT2502型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录剪切强度的功能，可以测得豌豆在剪切时的剪切强度，计算剪切强度平均值（表2）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的剪切强度变化规律如图6所示。3种不同放置方式下的豌豆剪切强度均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时剪切强度最大，侧放次之，立放最小。由Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切强度之间的关系式表示为：

？滓C=0.588 2-2.035 2X-0.000 9X2 R2=0.993 1

（11）

？滓L=0.823 7-0.023 9X-0.000 6X2 R2=0.978 2

（12）

2.3 豌豆子粒的硬度特性试验结果

采用SPSS软件图形分析相关性得出，豌豆子粒的硬度与含水率在显著水平0.014下，呈显著性负相关，决定系数为0.985 3。豌豆子粒的含水率越大，豌豆子粒的硬度越小（图8）。

综上所述，豌豆子粒硬度与压痕深度之间相关系数为0.209 3，说明豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。

3 小结与讨论

1）通过对含水率为10.3%～18.3%豌豆进行力学特性试验，探明了不同含水率下豌豆子粒挤压力学特性、剪切力学特性以及硬度的变化规律，建立了豌豆子粒的破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度、硬度与含水率之间的函数关系。

2）在平放、侧放及立放3种不同放置方式下挤压时，随着含水率的增加，豌豆子粒的破碎负载和弹性模量均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时破碎负载和弹性模量最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。

3）在平放、侧放及立放3种不同放置方式下剪切时，随着含水率的增加，豌豆子粒的剪切力和剪切强度均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时剪切力和剪切强度最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。

4）利用压痕加载曲线的斜率，通过虚拟弹性模量的方法，可以测定豌豆子粒的硬度。通过试验结果与方差分析可以得到，豌豆子粒的硬度与含水率呈显著负相关，豌豆子粒的含水率越低，豌豆子粒硬度越大;豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。