枣树修剪残枝是红枣产业发展的副产物,木质纤维素含量高,是优良的可再生生物资源。随着新疆红枣产业的快速发展,枣树修剪残枝产量迅速增加,2012年后年产量均超过190万吨。现阶段新疆枣树修剪残枝利用率十分低下,一是因为病虫害等枣农多采用焚烧处理,二是因为枣树修剪残枝具有枣刺和枝丫收集时十分费时费力,这造成了十分严重的环境污染和资源浪费,亟待引入农业机械来解决当前新疆枣树残枝的回收利用问题。本研究将材料力学和残枝微观结构相结合,研究了枣树残枝受各种载荷作用下的内部应力变化情况,对枣树残枝内部微观力学分布进行了描述。分析结果揭示了枣树残枝在压缩、剪切和弯曲作用载荷条件下的力学性能变化规律,为枣树残枝的加工处理提供了极有价值的参考,为残枝加工机械的设计制造提供了理论基础。本研究对枣树残枝形态特征、木质纤维素成分组成和微观结构等方面进行了试验研究,对残枝进行了压缩试验、剪切试验、弯曲试验和冲击试验等,研究了残枝的力学特性,获得了有限元建模所需的相关数据,并通过有限元建模对残枝受力情况进行了分析,主要得出如下结论:(1)通过形态观测、含水率与木质纤维素测定,得出一年生红枣残枝与一般木材早材的木质纤维素含量相似。残枝的直径近似呈现正态分布,总体范围在10-18mm之间,红枣残枝的长度比较均衡,总体在600-1000mm之间,红枣残枝的重量呈现近似正态分布,总体范围100-180g之间。残枝直径与残枝重量,呈明显相关系。通过测定红枣残枝木质纤维素含有量76.37%,其中纤维素含量约为35.0%,木质素含量约为24.4%、半纤维素含量约为16.8%。这与一般木材的早材木质素纤维素含量特征相似,木质素含量高于棉杆和其他农业秸秆。(2)通过微观结构观测发现,导管多且分散,木射线多,髓部薄壁细胞松散,木纤维细胞排列整齐,薄壁细胞内含物极少。从结构上可以看出,残枝茎向结构中含有纤维细胞群,而横向结构木射线较多,茎向抗拉力会明显高于横向;木质部结构类似与木材早材的松散结构,导管含量多,影响剪切强度;而木纤维的数量占比较少,影响残枝抗弯强度。经过对比,红枣残枝木质部结构类似与木材中的早材结构,这与形态观测和木质纤维素测定结果相一致。(3)红枣残枝横纹压缩到最大荷载,横切面压缩方向导管变形较大,木纤维变形均匀,没有裂隙;在残枝弯曲断裂时,木材弯曲破坏首先发生在受拉端。初始裂纹常产生在导管壁上,由于应力集中,在导管壁上会继续出现很多的微裂纹,经过不断的加载,微裂纹贯穿,导管发生破坏,纤维在受拉端多为拔出断裂。(4)有限元分析结果表明,残枝的最大变形为12.041mm,最大变形出现的位置为残枝中间处,并且残枝的变形以残枝中间为基准,两侧的变形呈对称分布,与实际剪切变形情况相似。残枝内部最大的等效应力为740.38MPa,最小等效应力为0.28837MPa。(5)对密度和表面硬度测定结果显示,浸提法测定的残枝密度为837kg/m~3,与形态测定红枣残枝重量相吻合;表面硬度40-45 MPa范围是红枣残枝测试样品表面硬度集中分布的区域,与木材硬度粗略对照可视为中等硬度的木材。残枝冲击能量近似正态分布,削切试样冲击能力主要集中分布在0-20J范围内,残枝的结构影响冲击结果,含有节的地方会显著增加,在进行机械设计时应考虑这一点。红枣残枝的密度测定和表面硬度结果从一定程度上影响冲击实验。(6)通过压缩和剪切试验分析,残枝顺纹与横纹压缩的破裂力、弹性模量以及破裂相对变形均较为相等。含水率为6%的情况下,残枝的抗压缩力学性能具有各向异性,残枝横纹方向的抗压缩性能优于顺纹方向的抗压缩性能。(7)剪切试验显示,残枝在试验加载位置的中间结果较优,其峰值剪切力为4125.261N,属于最易剪切位置,这一结果与仿真结果基本相符。