冬季覆蓋地膜的拉伸試驗及有限元仿真分析

楊業龍，葉云霞，謝建華，曹曉冉，孫超偉

(新疆農業大學，烏魯木齊　830052)

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冬季覆蓋地膜的拉伸試驗及有限元仿真分析

楊業龍，葉云霞，謝建華，曹曉冉，孫超偉

(新疆農業大學，烏魯木齊830052)

摘要：通過對冬季覆蓋厚度為0.006mm 的聚乙烯殘地膜縱向、橫向和直角撕裂拉伸負荷，以及斷裂伸長率等力學性能的測試，獲得了殘地膜力學本構特性。利用有限元軟件ANSYS對拾膜桿齒撿膜時地膜的變形和應力應變情況進行仿真和分析。結果表明：冬季覆蓋地膜縱向的拉伸強度大于橫向的拉伸強度和直角撕裂的拉伸強度；拾膜時，桿齒端部的地膜變形最大，應力應變最大值都發生在與桿齒中部接觸的地膜處。

關鍵詞：殘地膜；力學性能；ANSYS；有限元

0引言

地膜具有保溫、保墑和抑制雜草生長等作用，給農作物生長提供了一個良好的小氣候環境，地膜覆蓋技術給農業帶來了很大的效益[1-2]。隨著農業生產要求和氣候的變化，覆膜技術在冬季的使用也在不斷地推廣。例如，覆膜技術能很好地解決春季北方地區春寒現象造成的影響，因此覆膜技術能實現蔬菜等農作物在冬季的栽培與生長、減小農作物生長對季節的依賴性。

我國使用的農用地膜大部分是聚乙烯地膜和聚氯乙烯地膜，地膜回收不徹底，常年累積的殘膜給農業帶來了“白色污染”[3-5]。在勞動力較少地區，處理殘膜的措施主要是利用回收機具回收殘地膜，地膜的破損程度對拾膜機構的拾膜率有重要影響，為了提高拾膜率，必須了解殘膜力學性能[6]。冬季的陽光照射激烈程度有所下降，加上寒冷空氣對地膜的長時間冷凍，冬季的田間地膜和夏季田間中的地膜力學性能變也會有差異。為此，本文通過對冬季殘地膜力學性能的研究和拾膜過程中的有限元分析，為研制和改善冬季殘膜回收機具提供參考。

1殘地膜拉伸性能測試方法

1.1儀器選取和試驗方法

為了保證試驗可靠性，試驗采用儀器為RGM-4002智能控制電子萬能試驗儀。

1.2試驗方法

按照GB/T1040-2006中的第3部分(薄膜與薄片的實驗)中的要求，對試驗地膜進行力學性能測試[7]。

取厚度為0.006mm的冬季覆膜田間殘地膜為對象，地膜在田間覆蓋時間超過3個月。制作縱向拉伸、橫向拉伸及直角撕裂拉伸實驗所需試樣各10個并做標記，且要保證試樣表面無可見破損、邊緣光滑無飛邊。試樣尺寸為：如圖1所示，縱向和橫向試樣的寬度為10mm，長度為150mm，夾持部分內兩標線間隔為100mm；如圖2所示，直角撕裂式樣為燕尾狀，長度為100mm，夾持部分內兩標線距離為60mm[6]。

圖1　地膜縱向、橫向拉伸試樣

1.3試驗過程

用RGM-4002智能控制電子萬能試驗儀對地膜進行拉伸試驗，得到殘地膜被拉伸時所承受的最大載荷和斷裂時的拉伸長度。進行試驗時，控制實驗室溫度為(23±2)℃， 拉伸速度設定為50mm/min；試樣不可扭曲，表面應相互垂直或平行，每次完成10個平行試樣的測試。

圖2　地膜直角撕裂拉伸試樣

2試驗結果及分析

為了測試殘地膜的力學性能，試驗中要得到殘地膜拉伸后的伸長程度和拉伸負荷(最大拉伸載荷)。通常殘地膜受拉后的伸長程度由斷裂伸長率來表示，計算公式為

(1)

式中εt—斷裂伸長率(%)；

G0—試樣原始標距(mm)；

G—試樣斷裂時標線間距離(mm)。

2.1縱向拉伸試驗

縱向拉伸試驗結果如表1所示。從表1中可以看出：拉伸負荷最大值發生在試樣9中，拉伸負荷為2.165(N)；最小值發生在試樣1中，拉伸負荷為1.295(N)；斷裂伸長率最大值和最小分別出現在試樣7和試樣6中。

表1　殘地膜縱向拉伸測試結果

2.2橫向拉伸試驗

橫向拉伸試驗結果如表2所示。從表2中可以看出：橫向拉伸試驗中，拉伸負荷最大值發生在試樣10中，拉伸負荷為0.873N；最小值發生在試樣2中，拉伸負荷為0.588N；斷裂伸長率最大值發生在試樣10中，最小值出現在試樣1和試樣2中。

表2　殘地膜橫向拉伸測試結果

2.3直角撕裂試驗

從表3中可以看出：直角撕裂試驗中，拉伸負荷最大值發生在試樣7中，拉伸負荷為1.083N；拉伸負荷最小值發生在試樣4中，拉伸負荷為0.640N；斷裂伸長率最大值出現在試樣6和試樣8中，最小值出現在試樣1中。

表3　殘地膜直角撕裂測試結果

2.4試驗結果

由表2～表3可得殘地膜的力學性能，如表4所示。

表4　殘地膜力學性能

縱向、橫向和直角撕裂拉伸過程中負荷—位移關系分別如圖3～圖5所示。

由圖3可知：殘地膜縱向拉伸時負荷隨位移的推移是緩慢增加的，最大負荷點出現距斷裂點較近。

由圖4可知：殘地膜橫向拉伸時負荷隨位移的推移變化不大，斷裂時各試樣的拉伸位移分布不均勻。

由圖5可知：直角撕裂拉伸試驗中，隨拉伸位移的增大,拉伸負荷先增大后縮小，最大負荷點距斷裂點較遠。

圖3　殘地膜縱向拉伸負荷-位移關系

圖4　殘地膜橫向拉伸負荷-位移關系

圖5　殘地膜直角撕裂負荷-位移關系

由上述研究可知：縱向最大拉伸負荷平均值比于橫向最大拉伸負荷大1.080N，比直角撕裂的最大拉伸負荷平均值大0.889N；縱向拉伸斷裂伸長率平均值比橫向拉伸斷裂伸長率平均值大60.15%，比直角撕裂拉伸斷裂伸長率大149%。

3拾膜過程中地膜的有限元分析

3．1材料屬性選取

地膜密度920kg/mm3，材料屬性根據試驗中得到的數值來定義。拾膜桿齒選擇彈齒式拾膜桿齒，密度7 860kg/mm3彈性模量1.96GPa，泊松比0.3。

3．2接觸面設置和施加約束

在拾膜過程中，桿齒末端定義為目標面，地膜定義為接觸面。為了模擬真實的工作過程和方便分析地膜的變形及應力應變情況，在桿齒的端部施加6N的力，弾齒實際安裝固定端和地膜的自由端施加約束。

3.3有限元分析結果

有限元分析結果如圖6所示。

圖6　有限元分析結果

由圖6(a)可以看出：地膜的最大變形主要發生在靠近桿齒端部位置，最大變形量是2.1313mm；由圖6(b)、圖(c)可以看出：地膜的最大應力和應變均發生在與桿齒中部接觸的地膜處，最大應力為37.424MPa。

4結論

1)殘地膜縱向力學性能高于橫向和直角撕裂的力學性能，橫向拉伸負荷和直角拉伸負荷較接近，但是橫向拉伸斷裂伸長率比直角撕裂拉伸斷裂伸長率較大。

2)由拉伸試驗結果可知：冬季覆膜的殘地膜縱向拉伸強度較好。

3)拾膜過程中，地膜的最大變形主要發生在靠近桿齒端部位置，應力應變最大值都發生在與桿齒中部接觸的地膜處。

參考文獻：

[1]謝建華,侯書林,劉英超,等.殘膜清理回收機具的研究現狀及存在的問題[J].中國農機化,2012(5):41-44.

[2]畢繼業,工秀芬,朱道林.地膜覆蓋對農作物產量的影[J].農業工程學報,2008,24(11):172-175.

[3]嚴昌榮,梅旭榮,何文清,等.農用地膜殘留污染的現狀與防治[J].農業工程學報,2006(11):269-272.

[4]吳銳.農用地膜污染的現狀及治理對策[J].農技服務,2015,32(3):23.

[5]陳志.我國農業可持續發展與農業機械化[J].農業機械學報，2001,32(1):1-4.

[6]謝建華.壟作殘膜撿拾及脫卸裝置的研究[D].北京：中國農業大學,2014.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T1040.3-2006,塑料拉伸性能的測定(3):薄膜和薄片的試驗條件[S].北京:中國標準出版社,2006.

Study on the Tensile Test and Analysis of Winter Mulching

Yang Yelong, Ye Yunxia, Xie Jianhua, Cao Xiaoyan, Sun Chaowei

Abstract：Through the testing of the mechanical properties of the longitudinal, transverse and orthogonal tear tensile load and tensile elongation for the polyethylene mulching film covered in winter which thickness is 0.006mm, the mechanical constitutive properties of the mulching film were obtained. The finite element software ANSYS was used to emulating and discussing the deformation and stress strain for the mulching film when was picked up by the mulching film pole tooth, the results show that: for the mulching film in winter, the tensile strength of longitudinal is greater to the transverse and the rectangular tear; the maximum variant of the mulching film was that it was picked up on the top of the mulching film pole tooth, the maximum of the deformation and stress strain was that it was picked up at the junction of the film and the central of pole tooth.

Key words：plastic film; mechanical properties; ANSYS; finite element

文章編號：1003-188X(2016)06-0215-04

中圖分類號：S121

文獻標識碼：A

作者簡介：楊業龍(1988-),男，濟南人，碩士研究生，(E-mail)yangyelong0413@163.com。通訊作者：謝建華(1975-)，女，四川安岳人，副教授，碩士生導師，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465057)

收稿日期：2015-05-12