粮仓竖向-侧向压力比径向变异性的三轴原位应力测量系统研究

为解决粮仓内散体材料三维应力状态测量难题，研究人员开发了一种新型三轴压力传感器，用于原位测量粮仓内竖向和径向压力分布。研究通过3D打印球形壳体集成正交活塞式压力传感器，实现了±0.35 kPa精度的测量，初步数据揭示了不同径向位置压力比k值存在显著差异（壁面0.23、中径0.17、中心0.37），为修正Janssen模型和优化粮仓设计提供了新工具。

　　

粮仓作为粮食储存的核心设施，其结构安全性长期依赖1895年提出的Janssen模型进行压力预测。然而该模型假设竖向-侧向压力比k值为常数，无法解释实际粮仓中频繁出现的"拱效应"和局部应力集中现象。随着粮仓规模扩大和自动化控制需求提升，传统壁面单点测量技术已难以满足精准建模需求，亟需开发能捕捉散体内部三维应力状态的测量方法。

加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）的研究团队创新性地设计了一种直径130 mm的3D打印球形三轴传感器。该装置集成三个正交活塞式压力单元（精度±0.35 kPa），在直径1.8 m的实验粮仓中测量软红冬小麦（含水率13.5%）的应力分布。通过螺旋状和直线状两种传感器排布方案，首次实现同一深度不同径向位置（壁面、中径、中心）的同步应力测量。

关键技术包括：1）基于波簧-负载销系统的活塞结构设计，采用FX29K0-100A-0025-L微型应变计；2）多传感器I²C总线同步采集系统；3）1-5 kg砝码分级校准体系；4）结合激光测距与仓重传感器的数据同步方法。

传感器设计与校准
3D打印球形壳体设置五个89 mm开口，三个用于安装63.5 mm直径的铝制压力板。校准显示所有传感器线性度R²>0.99，在35 kPa量程内误差控制在±1.1 N。

径向压力变异特征
实验数据突破Janssen模型的均匀性假设：竖向压力在壁面超预测值25%（试验1），中心区超15%；径向压力呈现中心（7 kPa）>壁面（4 kPa）>中径（2.5 kPa）的"浴盆曲线"分布。

k值空间异质性
通过应力张量分量比计算发现：中心区k值达0.37，是壁面（0.23）的1.6倍，中径区最低仅0.17。这种空间变异与Molenda等报道的"应力凹陷"现象吻合，但首次在大型粮仓中被量化验证。

模型优化验证
采用MATLAB参数优化发现：当k值取实测数据时，Janssen方程需调整摩擦系数μ（0.32-0.60）和 hydraulic半径R（0.26-0.44 m）才能拟合实测曲线，证实传统常参数模型的局限性。

讨论部分指出，传感器作为刚性夹杂物可能引起局部应力扰动，未来需研究粒径-传感器尺寸比（>10:1）的影响。异常发现包括静态期5.2%的压力弛豫现象，与Ruiz等描述的颗粒重组动力学一致。该技术为数字孪生（Digital Twin）系统提供关键输入参数，对预测粮堆压实、通风阻力等工程问题具有应用价值，相关成果发表在农业工程领域权威期刊《Computers and Electronics in Agriculture》。