杂粮作物大多种植在丘陵山地,主要靠人工劳作,机械化程度很低。由于杂粮营养价值很高,近年来得到人们的广泛青睐,发展杂粮产业已成为我国杂粮区农业产业结构调整的主题,杂粮机械化生产也被重点关注,列入国家十三五重点专项研发内容。在杂粮联合收获机、杂粮脱粒机械及相关加工机械的设计与参数优化中,需要了解杂粮籽粒生物力学性质及损伤机理。因此本课题在科技部重点专项支持下系统地试验研究谷子、荞麦、燕麦及青稞等四种杂粮籽粒不同含水率下杂粮籽粒的基本物性参数、常规力学性质、粘弹性力学性质、摩擦力学性质及动载碰撞损伤等。主要研究内容和结论如下:(1)进行了谷子、荞麦、燕麦、青稞等四种杂粮籽粒的基本物性参数研究。测试了不同含水率下四种籽粒的长、宽、高、容重、算术平均径、千粒质量等基本物性参数,结果表明:含水率对基本物性均有显著影响(P<0.0001);在一定的含水率范围内,籽粒的长、宽、高、千粒质量均随含水率的升高而增大,容重随含水率的增大而减小。(2)试验研究了谷子、荞麦、燕麦、青稞籽粒的压缩、剪切、摩擦等常规力学性质。进行了不同含水率、品种的谷子、荞麦、燕麦、青稞籽粒的压缩、剪切、摩擦力学性质试验研究,结果表明含水率与品种对压缩、剪切、摩擦等力学性质指标均有显著影响。同一品种谷子、荞麦,随着含水率的升高,籽粒压缩时的屈服载荷和表观弹性模量减小,谷子的变形量和破坏能先减小后增大,荞麦的变形量逐渐增大,破坏能呈现下降趋势。随着含水率的升高,谷子、荞麦、燕麦、青稞籽粒的剪切破坏力逐渐减小,剪切破坏能先减小后增大,剪切破坏应力逐渐减小。随着含水率的升高,籽粒与不锈钢板、铝合金板、Q235钢板的摩擦系数逐渐增大,休止角逐渐增大。籽粒与Q235钢板的摩擦系数最大,与铝合金板的次之,与304不锈钢板的最小。通过拟合试验数据获得了谷子、荞麦的压缩力学性质指标与含水率之间的数学模型和杂粮籽粒剪切、摩擦力学性质指标与含水率的数学模型,决定系数R~2均大于0.90。对谷子、荞麦籽粒的有限元模拟分析结果表明:谷子籽粒三种压缩形式下,Y轴压缩时最大应力大于X轴压缩时的,Z轴压缩时的最小;荞麦外壳所受到的最大应力约为8.27MPa,与试验计算结果接近。(3)试验研究了谷子、荞麦籽粒受压损伤裂纹的形成过程及损伤机理。谷子受X、Y、Z轴方位压缩载荷作用时,在屈服点之前,籽粒未出现裂纹,到达屈服点后,籽粒开始产生肉眼可见裂纹,继续加载,裂纹逐渐扩展、延伸,出现多条裂纹致破裂。损伤裂纹的形成过程及发生机理、扩展形态和部位均不同,形成如下型式的裂纹:从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展,形成几乎贯穿籽粒X轴方向裂纹;从上下两接触点处由于应力集中形成的贯穿籽粒Y轴方向的裂纹;从腹面的种脐处沿胚乳抗压性最弱的部位延伸且贯穿籽粒一半的裂纹。荞麦籽粒挤压时由于外壳和内芯仁的强度不同,挤压到一定程度,内芯仁产生裂纹,继续加载,外壳棱上由于抗挤压强度低和应力集中出现裂口。荞麦的外壳挤压损伤与自然损伤具有相似的破裂形式,均是一条果皮棱上的纵向裂口。(4)应用扫描电镜、体式显微镜对籽粒断面形态和裂纹微观分析基础上,采用Griffith能量平衡理论、Cottrell位错塞积模型、分形几何等相关理论对静载压缩试验时裂纹的产生、碰撞时内部机械裂纹产生与扩展的微观机理等进行了研究。研究表明:沿淀粉颗粒与穿淀粉颗粒耦合扩展的微观裂纹最容易发生,穿淀粉颗粒和分叉扩展的微观裂纹较难发生。同一种扩展模型,谷子籽粒内部淀粉颗粒的直径越大,微观裂纹的扩展速率越快;同一直径的淀粉颗粒,耦合扩展的速率最快,沿淀粉颗粒扩展的速率次之,分叉扩展的速率最小。依据Boltzmann原理和Volterra原理,建立了各向异性黏弹性体的基本本构方程,推导出黏弹性体裂纹尖端附近的应力和位移场。(5)试验研究了荞麦内芯粉体和青稞籽粒的粘弹性力学性质。获得了不同含水率下荞麦内芯粉体材料的储能模量、损耗模量、损耗正切及青稞籽粒的应力松弛、蠕变特性等粘弹性性质指标。储能模量随含水率的升高而减小,损耗模量和损耗正切随含水率的升高而增大;同一品种荞麦,含水率越低,损耗模量越小,储能模量越大,弹性性能越好,黏性性能降低。当含水率在9.0%~22.9%时,同一时刻,青稞籽粒的应变值随含水率的增大而增大,应力值随含水率的增大而减小。伯格斯模型可以很好的描述青稞籽粒的蠕变特性;三元件Maxwell模型可以描述青稞籽粒的应力松弛特性。(6)研制了谷物撞击、碰撞试验装置,进行谷子、荞麦籽粒撞击、碰撞性能试验研究。研究结果表明:相同含水率下,撞击载荷越大,谷子和荞麦的破碎率越高;同一撞击载荷下,随着籽粒的含水率的降低,谷子籽粒的破碎率减小,荞麦籽粒的破碎率先减小后增大。在0.05水平上,下落高度、材料厚度对四种籽粒的恢复系数影响显著(P<0.05),含水率对四种籽粒的恢复系数影响不显著(P>0.05)。转盘的转速越高,撞击力越大,谷子和荞麦籽粒的破碎率越高且破碎程度越高;在相同转速下,破碎率与含水率近似呈二次多项式关系。