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玉米秸秆资源丰富,具有优良的理化特性,开发潜力越来越为人们所重视。由于收获期的玉米秸秆在摘穗后含水率高,秸秆表皮坚韧、粗壮、密实,阻碍了秸秆内部水分的蒸发,在很长一段时间内秸秆含水率无法降到适宜于打捆回收范围内,秸秆打捆容易涨包,储藏容易变质腐烂,这就给秸秆的收获再利用带来了困难,导致大部分秸秆资源废置浪费。利用机械装置对玉米秸秆调质处理,可以使秸秆压裂、破皮、裂节,加速秸秆含水率的降低,便于快速回收。调质装置的关键部件调质辊的结构及对秸秆的作用直接影响着秸秆的调质效果及调质功耗。了解和掌握玉米秸秆的力学及破坏特性,可为调质辊的参数设计及优化提供合理和可靠的依据。依据采用高速摄影技术对玉米秸秆调质过程进行分析的前期预试验及秸秆调质受到外加载荷结果,本文针对玉米秸秆开展了单点直压、三点弯曲、剪切及扭转等不同加载条件的力学特性及其失水特性试验研究;研究了秸秆的本构方程及破坏理论;综合比较分析了秸秆在不同加载条件下的失水率与功耗。课题研究的主要内容如下:(1)玉米秸秆本构方程与破坏理论探讨从宏观和微观角度论述玉米秸秆的组织结构,并对秸秆模型进行了假设;论述了玉米秸秆的基本构造形式;确定了玉米秸秆的力学基本方程及应力-应变关系,搭建了玉米秸秆的本构方程;阐述了玉米秸秆的破坏理论,得出了秸秆所承受的应力或应变达到极限状态时,秸秆发生破坏,表现形式为产生裂纹或弯折。(2)玉米秸秆单点直压和三点弯曲特性试验研究利用万能试验机开展了玉米秸秆三点弯曲和单点直压特性的试验研究。以弯曲跨距、加载速度、取样位置、品种及含水率为试验因素进行了三点弯曲单因素试验,以取样位置、品种及含水率为单因素进行了单点直压试验;以取样位置、加载速度和弯曲跨距为因素进行了三因素五水平二次回归正交旋转组合试验。结果表明:秸秆受外加载荷破坏形式为产生裂纹或弯折,裂纹的种类包括轴向主裂纹、横向裂纹(或压痕)及不规则裂纹,轴向主裂纹对秸秆水分的降低起主要作用,因此调质装置的设计应考虑尽量产生较多且连续的轴向主裂纹;三点弯曲单因素试验弯曲跨距为80mm时载荷及功耗最小;加载速度对载荷、功耗无影响;随着取样位置自底向上逐渐增大,秸秆的载荷及功耗逐渐减小;品种间载荷及功耗有差异;三点弯曲的正交试验表明加载速度18~24mm/min、跨距为76~83mm时功耗及载荷最小;单点直压载荷及功耗随着取样位置增大呈逐渐减小趋势,节部试样的载荷及功耗大于节间试样,长轴试样的载荷及功耗小于短轴。(3)玉米秸秆剪切特性试验研究利用万能试验机自制剪切夹具对玉米秸秆进行了剪切特性试验。以不同取样位置及加载部位为单因素进行了试验。试验结果表明:秸秆在剪切载荷的作用下产生变形,在剪切处产生两条垂直于秸秆生长方向的主裂纹,在主裂纹附近产生若干细小裂纹,剪切过程中,上部先发生断裂后秸秆下部断裂,秸秆依次经历准弹性变形、塑性变形、产生裂纹、裂纹终止扩展以及剪断过程,载荷值在这一过程中逐渐增大,且当裂纹终止扩展后载荷值显著增大,剪切试验的载荷、功耗及强度随着取样位置的增大而减小,随着秸秆直径尺寸的减小抗剪能力降低。(4)玉米秸秆扭转特性试验研究利用扭转试验机对玉米秸秆进行了扭转特性试验研究,搭建了扭转速度控制系统实现了扭转试验匀速加载。试验结果表明:在扭转过程中,玉米秸秆呈螺旋状扭转变形,在秸秆断面长轴边缘附近对称产生两条主裂纹,且裂纹沿着轴向扩展至两侧节部;秸秆扭转产生裂纹时扭转角69~89°,扭矩4.48~12.18Nm,破坏功耗6.98~12.05J,裂纹终止扩展时扭转角度105~125°,扭矩3.97~9.6Nm,功耗9.05~18.89J。(5)玉米秸秆失水率特性试验研究研究了玉米秸秆在单点直压、三点弯曲、扭转、剪切载荷作用后自然晾晒3~7天的失水率特性,并与对照组进行了对比分析。试验结果表明:玉米秸秆受不同载荷作用后自然晾晒的失水率效果由大到小的载荷顺序依次为扭转、单点直压、三点弯曲、剪切、自然状态。扭转载荷下,秸秆失水率大于其他加载方式。