**甘蔗茎秆力学特性表征与横观各向同性有限元建模研究**

《Frontiers in Plant Science》：Mechanical characterization and transversely isotropic finite element modelling of sugarcane stalk

　　

**背景：** 甘蔗茎秆在机械化收获过程中承受压缩、夹持、弯曲、喂入和输送等多种力学作用，但其力学行为通常仅在单一加载条件下进行表征，限制了数值模型中对方向性和纵向变异性的表达。**方法：** 本研究建立了一个集成的实验与建模框架，用以表征这些变异并将其纳入横观各向同性（transversely isotropic）有限元模型。以成熟桂糖21号（Guitang 21）茎秆为对象，采用轴向压缩（axial compression）、径向压缩（radial compression）和三点弯曲（three-point bending）试验对基部和中部节间进行了测试。**结果：** 基部节间的轴向弹性模量（axial elastic modulus, E_z）为96.95 MPa，等效径向变形参数（equivalent radial deformation parameter, E_r）为17.66 MPa，等效弯曲响应参数（equivalent bending response parameter, E_b）为174.10 MPa；中部节间相应参数分别为65.90 MPa、14.47 MPa和140.39 MPa。**结论：** 这些结果揭示了两项一致的力学特征：沿茎秆轴线方向的抗力显著大于径向，且基部区域的力学抗力系统性高于中部区域。所量化的参数和验证后的模型为优化机械化收获机械中夹持、喂入和切割部件的设计提供了基础。

**甘蔗茎秆力学特性表征与横观各向同性有限元建模——论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

甘蔗是全球重要的糖料和能源作物，广泛应用于制糖、生物燃料生产及造纸工业。中国是世界上主要甘蔗生产国之一，其中广西是中国最大的甘蔗产区。随着农村劳动力成本持续上升和大规模甘蔗生产需求的增长，全过程机械化已成为提升产业竞争力的重要途径。在机械化收获过程中，甘蔗茎秆经历切割、夹持、喂入、输送和切段等一系列操作，茎秆的力学响应对切割能耗、输送稳定性及损伤程度有直接影响。已有研究表明，机械化收获中仍存在较高的断梢率和机械损伤率，对蔗种品质和后续出苗性能产生不利影响。

由于甘蔗茎秆内部由表皮组织、维管束（vascular bundles）和髓部（pith）构成，呈现明显的异质性（heterogeneity）和各向异性（anisotropic）特征，其力学行为十分复杂。现有的研究主要集中在压缩、弯曲、拉伸和剪切载荷条件下强度和弹性参数的测定，但系统性表征甘蔗茎秆方向依赖性力学参数、建立横观各向同性本构模型并进行实验验证的研究仍然有限。许多现有有限元模型基于均质或各向同性材料假设，难以捕捉纤维组织定向分布带来的各向异性行为。因此，准确测定甘蔗茎秆的力学特性并建立可靠的数值模型，对于改进收获设备设计、降低损伤率具有重要的理论意义和工程应用价值。

**二、研究内容与重要意义**

研究人员以成熟桂糖21号甘蔗茎秆为对象，对基部和中部节间分别开展了轴向压缩、径向压缩和三点弯曲试验，系统测定了轴向弹性模量（E_z）、等效径向变形参数（E_r）和等效弯曲响应参数（E_b），并通过相关性分析和显著性检验探讨了方向性力学行为和纵向力学梯度。基于实验获得的力学参数，建立了横观各向同性有限元模型，并通过与三点弯曲实验的对比评估了模型的弯曲响应。该研究为甘蔗收获设备的力学分析、数值模拟和结构优化提供了理论依据。

**三、主要技术方法概述**

本研究样本采集自中国广东省湛江市的甘蔗种植园，品种为桂糖21号，于成熟期收获。共采集40根成熟甘蔗茎秆作为独立生物学重复，每根茎秆分别选取基部（第1至第3节间）和中部（第4至第8节间）两个纵向位置。力学测试使用WD-E精密计算机控制电子万能试验机（最大载荷20000 N，力和位移测量精度±1%），加载速率统一设定为20 mm/min，环境温度26°C，相对湿度82%。轴向弹性模量通过应力-应变曲线线性弹性区斜率确定；等效径向变形参数由径向压缩载荷-位移响应计算；等效弯曲响应参数基于经典梁弯曲理论和三点弯曲试验的载荷-跨中位移数据估算。有限元建模方面，采用SolidWorks建立三维实体模型，导入ANSYS Workbench进行有限元分析，材料模型采用横观各向同性本构，网格经独立性分析后选取全局尺寸1.0 mm。统计分析方法包括配对样本t检验、Shapiro-Wilk正态性检验、Cohen's d_z效应量计算及线性回归分析。需要说明的是，泊松比和密度参数引自已发表文献而非本研究实测。

**四、主要研究结果**

**4.1 轴向压缩结果**

基部试样的轴向弹性模量平均值为96.95 MPa（95% CI: 85.07–108.83 MPa），中部试样为65.90 MPa（95% CI: 58.61–73.19 MPa），基部较中部高约47.12%，差异具有统计学显著性（p < 0.001, Cohen's d_z = 1.14）。几何尺寸（长度和直径）与轴向弹性模量的线性回归决定系数（R2）均较低，表明外部几何尺寸对轴向弹性模量的解释力有限，并非主导因素。

**4.2 径向压缩结果**

基部试样的等效径向变形参数平均值为17.66 MPa（95% CI: 15.90–19.42 MPa），中部试样为14.47 MPa（95% CI: 12.58–16.35 MPa），基部较中部高约22.05%，差异具有统计学显著性（p = 0.029, Cohen's d_z = 0.53）。几何尺寸与等效径向变形参数之间的线性相关性较弱，回归模型的R2均处于较低水平。

**4.3 三点弯曲结果**

基部试样的等效弯曲响应参数平均值为174.10 MPa（95% CI: 154.40–193.80 MPa），中部试样为140.39 MPa（95% CI: 123.13–157.64 MPa），基部较中部高约24.01%，差异具有统计学显著性（p < 0.001, Cohen's d_z = 1.54）。弯曲响应参数与直径之间的线性相关性高于轴向和径向参数，但R2仍处于较低水平（基部0.31，中部0.215）。

**4.4 综合对比与有限元模型实验对比**

综合对比表明，三个测量参数在数值上呈现E_b > E_z > E_r的关系。E_z显著高于E_r，基部和中部比值分别约为5.49和4.55，表明甘蔗茎秆具有显著的方向性力学各向异性。有限元模拟与三点弯曲实验的对比显示，基部及中部试样的峰值位移相对误差分别为3.50%和6.16%，峰值载荷误差均控制在10%以内，载荷-位移曲线趋势高度一致。位移云图和Von Mises等效应力云图呈现典型的简支梁弯曲变形特征，最大位移位于跨中加载区域，最大等效应力集中于加载点附近和试样下表面受拉区。

**五、讨论与结论**

研究表明，甘蔗茎秆的力学行为同时依赖于加载方向和纵向位置。轴向抗力始终大于径向抗力，基部节间刚度高于中部节间，这与茎秆内部维管束和纤维组织沿纵向定向分布的结构特征一致。几何尺寸与压缩参数之间的弱相关性进一步表明，茎秆几何外形无法单独解释所观察到的力学变异。有限元模型采用实验测定的方向依赖性等效刚度参数和横观各向同性材料表示，能够在不假设各向同性的前提下较好地复现准静态三点弯曲条件下的宏观峰前弯曲响应，但应被视为宏观等效模型而非组织层面的精细描述，且不适用于预测损伤起始、断裂或峰后行为。

本研究获得以下主要结论：（1）成熟桂糖21号甘蔗茎秆的宏观力学响应具有显著的方向依赖性，轴向响应远大于等效径向变形响应，可将其视为天然纤维增强生物复合材料，其承载行为受定向分布的维管束和纤维组织强烈影响，均质各向同性材料假设不足以准确表征其真实力学行为。（2）茎秆的力学响应在基部和中部之间存在明显的纵向差异，基部区域的E_z、E_r和E_b均显著高于中部，E_z增幅约47.12%，E_b增幅约24.01%。（3）不同力学参数对几何尺寸的敏感性存在显著差异，E_z和E_r与试样长度和直径的线性相关性总体较弱，而E_b与直径表现出一定程度的相关性，表明弯曲响应受材料响应和结构几何的共同影响。（4）所建立的宏观横观各向同性有限元模型在准静态三点弯曲条件下与实验结果吻合良好，峰值载荷误差低于10%。需要指出的是，本研究仅涉及单一品种（桂糖21号）成熟茎秆，未直接测量含水率及解剖学特征，模型中的泊松比和密度参数引自文献，弯曲分析采用工程梁近似且跨高比较小可能存在非理想梁效应，模型尚未经动态接触、切割、冲击、夹持、喂送及渐进破坏等工况的评估，因此在推广至具体收获部件设计之前尚需进一步的实验和建模研究。