冬季覆盖地膜的拉伸试验及有限元仿真分析

杨业龙，叶云霞，谢建华，曹晓冉，孙超伟

(新疆农业大学，乌鲁木齐　830052)



冬季覆盖地膜的拉伸试验及有限元仿真分析

杨业龙，叶云霞，谢建华，曹晓冉，孙超伟

(新疆农业大学，乌鲁木齐830052)

摘要：通过对冬季覆盖厚度为0.006mm 的聚乙烯残地膜纵向、横向和直角撕裂拉伸负荷，以及断裂伸长率等力学性能的测试，获得了残地膜力学本构特性。利用有限元软件ANSYS对拾膜杆齿捡膜时地膜的变形和应力应变情况进行仿真和分析。结果表明：冬季覆盖地膜纵向的拉伸强度大于横向的拉伸强度和直角撕裂的拉伸强度；拾膜时，杆齿端部的地膜变形最大，应力应变最大值都发生在与杆齿中部接触的地膜处。

关键词：残地膜；力学性能；ANSYS；有限元

0引言

地膜具有保温、保墒和抑制杂草生长等作用，给农作物生长提供了一个良好的小气候环境，地膜覆盖技术给农业带来了很大的效益[1-2]。随着农业生产要求和气候的变化，覆膜技术在冬季的使用也在不断地推广。例如，覆膜技术能很好地解决春季北方地区春寒现象造成的影响，因此覆膜技术能实现蔬菜等农作物在冬季的栽培与生长、减小农作物生长对季节的依赖性。

我国使用的农用地膜大部分是聚乙烯地膜和聚氯乙烯地膜，地膜回收不彻底，常年累积的残膜给农业带来了“白色污染”[3-5]。在劳动力较少地区，处理残膜的措施主要是利用回收机具回收残地膜，地膜的破损程度对拾膜机构的拾膜率有重要影响，为了提高拾膜率，必须了解残膜力学性能[6]。冬季的阳光照射激烈程度有所下降，加上寒冷空气对地膜的长时间冷冻，冬季的田间地膜和夏季田间中的地膜力学性能变也会有差异。为此，本文通过对冬季残地膜力学性能的研究和拾膜过程中的有限元分析，为研制和改善冬季残膜回收机具提供参考。

1残地膜拉伸性能测试方法

1.1仪器选取和试验方法

为了保证试验可靠性，试验采用仪器为RGM-4002智能控制电子万能试验仪。

1.2试验方法

按照GB/T1040-2006中的第3部分(薄膜与薄片的实验)中的要求，对试验地膜进行力学性能测试[7]。

取厚度为0.006mm的冬季覆膜田间残地膜为对象，地膜在田间覆盖时间超过3个月。制作纵向拉伸、横向拉伸及直角撕裂拉伸实验所需试样各10个并做标记，且要保证试样表面无可见破损、边缘光滑无飞边。试样尺寸为：如图1所示，纵向和横向试样的宽度为10mm，长度为150mm，夹持部分内两标线间隔为100mm；如图2所示，直角撕裂式样为燕尾状，长度为100mm，夹持部分内两标线距离为60mm[6]。

图1　地膜纵向、横向拉伸试样

1.3试验过程

用RGM-4002智能控制电子万能试验仪对地膜进行拉伸试验，得到残地膜被拉伸时所承受的最大载荷和断裂时的拉伸长度。进行试验时，控制实验室温度为(23±2)℃， 拉伸速度设定为50mm/min；试样不可扭曲，表面应相互垂直或平行，每次完成10个平行试样的测试。

图2　地膜直角撕裂拉伸试样

2试验结果及分析

为了测试残地膜的力学性能，试验中要得到残地膜拉伸后的伸长程度和拉伸负荷(最大拉伸载荷)。通常残地膜受拉后的伸长程度由断裂伸长率来表示，计算公式为

(1)

式中εt—断裂伸长率(%)；

G0—试样原始标距(mm)；

G—试样断裂时标线间距离(mm)。

2.1纵向拉伸试验

纵向拉伸试验结果如表1所示。从表1中可以看出：拉伸负荷最大值发生在试样9中，拉伸负荷为2.165(N)；最小值发生在试样1中，拉伸负荷为1.295(N)；断裂伸长率最大值和最小分别出现在试样7和试样6中。

表1　残地膜纵向拉伸测试结果

2.2横向拉伸试验

横向拉伸试验结果如表2所示。从表2中可以看出：横向拉伸试验中，拉伸负荷最大值发生在试样10中，拉伸负荷为0.873N；最小值发生在试样2中，拉伸负荷为0.588N；断裂伸长率最大值发生在试样10中，最小值出现在试样1和试样2中。

表2　残地膜横向拉伸测试结果

2.3直角撕裂试验

从表3中可以看出：直角撕裂试验中，拉伸负荷最大值发生在试样7中，拉伸负荷为1.083N；拉伸负荷最小值发生在试样4中，拉伸负荷为0.640N；断裂伸长率最大值出现在试样6和试样8中，最小值出现在试样1中。

表3　残地膜直角撕裂测试结果

2.4试验结果

由表2～表3可得残地膜的力学性能，如表4所示。

表4　残地膜力学性能

纵向、横向和直角撕裂拉伸过程中负荷—位移关系分别如图3～图5所示。

由图3可知：残地膜纵向拉伸时负荷随位移的推移是缓慢增加的，最大负荷点出现距断裂点较近。

由图4可知：残地膜横向拉伸时负荷随位移的推移变化不大，断裂时各试样的拉伸位移分布不均匀。

由图5可知：直角撕裂拉伸试验中，随拉伸位移的增大,拉伸负荷先增大后缩小，最大负荷点距断裂点较远。

图3　残地膜纵向拉伸负荷-位移关系

图4　残地膜横向拉伸负荷-位移关系

图5　残地膜直角撕裂负荷-位移关系

由上述研究可知：纵向最大拉伸负荷平均值比于横向最大拉伸负荷大1.080N，比直角撕裂的最大拉伸负荷平均值大0.889N；纵向拉伸断裂伸长率平均值比横向拉伸断裂伸长率平均值大60.15%，比直角撕裂拉伸断裂伸长率大149%。

3拾膜过程中地膜的有限元分析

3．1材料属性选取

地膜密度920kg/mm3，材料属性根据试验中得到的数值来定义。拾膜杆齿选择弹齿式拾膜杆齿，密度7 860kg/mm3弹性模量1.96GPa，泊松比0.3。

3．2接触面设置和施加约束

在拾膜过程中，杆齿末端定义为目标面，地膜定义为接触面。为了模拟真实的工作过程和方便分析地膜的变形及应力应变情况，在杆齿的端部施加6N的力，弾齿实际安装固定端和地膜的自由端施加约束。

3.3有限元分析结果

有限元分析结果如图6所示。

图6　有限元分析结果

由图6(a)可以看出：地膜的最大变形主要发生在靠近杆齿端部位置，最大变形量是2.1313mm；由图6(b)、图(c)可以看出：地膜的最大应力和应变均发生在与杆齿中部接触的地膜处，最大应力为37.424MPa。

4结论

1)残地膜纵向力学性能高于横向和直角撕裂的力学性能，横向拉伸负荷和直角拉伸负荷较接近，但是横向拉伸断裂伸长率比直角撕裂拉伸断裂伸长率较大。

2)由拉伸试验结果可知：冬季覆膜的残地膜纵向拉伸强度较好。

3)拾膜过程中，地膜的最大变形主要发生在靠近杆齿端部位置，应力应变最大值都发生在与杆齿中部接触的地膜处。

参考文献：

[1]谢建华,侯书林,刘英超,等.残膜清理回收机具的研究现状及存在的问题[J].中国农机化,2012(5):41-44.

[2]毕继业,工秀芬,朱道林.地膜覆盖对农作物产量的影[J].农业工程学报,2008,24(11):172-175.

[3]严昌荣,梅旭荣,何文清,等.农用地膜残留污染的现状与防治[J].农业工程学报,2006(11):269-272.

[4]吴锐.农用地膜污染的现状及治理对策[J].农技服务,2015,32(3):23.

[5]陈志.我国农业可持续发展与农业机械化[J].农业机械学报，2001,32(1):1-4.

[6]谢建华.垄作残膜捡拾及脱卸装置的研究[D].北京：中国农业大学,2014.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T1040.3-2006,塑料拉伸性能的测定(3):薄膜和薄片的试验条件[S].北京:中国标准出版社,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

文章编号：1003-188X(2016)06-0215-04

中图分类号：S121

文献标识码：A

作者简介：杨业龙(1988-),男，济南人，硕士研究生，(E-mail)yangyelong0413@163.com。通讯作者：谢建华(1975-)，女，四川安岳人，副教授，硕士生导师，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465057)

收稿日期：2015-05-12