云杉风倒静力学模型的建立及其分析

摘要

风倒是林隙的主要成因，是森林生态的一个扰动因子。对于林木生产，它又是一种常见自然灾害。因而，研究风倒机理具有重要意义。目前，我国在此领域的研究尚属空白。风倒是森林中常见的现象，主要包括干折和根倒两种情况。主要受林木的生物力学特性、土壤支持力和风的扰动三个因素的影响。其中，林木的生物力学特性与林木年龄、树干强度、干型、树冠的形状和大小以及树木健康状况等因素有关，土壤支持力受土壤的剪切强度、含水率、树木根系深度、宽度和重量等因素影响，两者共同决定了树木的总抗风性。风的扰动主要受风速、风压、频率、不同林分密度和复杂地形下的风场分布的影响。
　　本课题将力学原理与生物体的生物性能结合起来，揭示东北云杉风倒的力学机理。主要研究东北地区鱼鳞云杉的风倒静力学特性，拟采用非线性假设，建立云杉树的静力学模型；把树干作为变截面体来处理，模拟自然风对树干造成的弯曲变形，最终揭示风倒现象发生时的力学机理。
　　本课题主要研究内容包括：1.通过观测考察东北云杉树种的几何形态，研究其形态参数和形态表征方法，建立形态表征的力学模型。2.通过现场试验和实验室试验，得到了云杉树有关结构刚度与弹性模量等生物力学性能参数。3.树木根系在土壤中的锚固强度、对树木地上部分支持力和产生的最大阻力弯矩的试验观测与分析。4.云杉树风倒非线性力学模型的建立及其分析。树木在外力作用下发生变形时，求得树干内部产生的应力、应变、挠度的大小及其分布。首先基于直法线假设，考虑云杉树轴线的伸缩变形，建立了变截面弹性杆在外载荷作用下静态大变形的非线性力学模型。然后列出其相对应的几何方程、物理方程、平衡方程，其中包含了轴线弧长、轴线位移、横截面转角、横向位移、纵向位移、应力、弯矩等未知变量，并对其进行数值求解。最后得出相应的函数关系曲线和特殊点的值。
　　研究表明：1.采用复合理论得到的云杉树结构力学常数随着树干高度的不同而不同。2.主根锚固强度与树干干基直径成非线性关系。3.在大树中发生风倒的可能性大于小树。4.非线性力学模型，为风倒研究注入新的思想和方法。

目录

云杉风倒静力学模型的建立及其分析

BUILDING AND ANALYSIS OF MECHANICS MODEL FOR WINDTHROW OF SPRUCE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状与分析

1.3.1 国内研究状况

1.3.2 国外研究状况

1.3.3 模型发展历史

1.4 本研究课题的主要研究内容

1.5 可行性分析

1.6 系统结构模型

1.7 存在不足或待深入研究的问题

第2章 云杉树力学性能的实验与测量

2.1 云杉树几何形态表征与模型

2.2 云杉树活立木弯曲刚度与结构弹性模量的现场试验观测

2.3 云杉树弯曲刚度与结构弹性模量的实验室测量

2.4 本章小结

第3章 云杉树受力分析及其根系锚固强度

3.1 云杉树受力分析

3.1.1 云杉树树冠部分受力分析

3.1.2 云杉树树干及树根部分受力分析

3.1.3 计算土壤对云杉树树根的作用力

3.2 云杉树根系锚固强度

3.2.1 云杉树根系锚固强度的野外现场试验

3.3 云杉树根系锚固强度的野外现场试验结果及分析

3.3.1 云杉树根系锚固强度的野外现场试验结果

3.3.2 云杉树根系锚固强度的野外现场试验结果分析

3.4 本章小结

第4章 云杉树风倒非线性静力学模型的建立与分析

4.1 云杉树风倒静力学模型的建立

4.2 云杉树风倒静力学模型的分析

4.2.1 云杉树平面弯曲大变形的几何分析

4.2.2 云杉树内力与变形间的物理关系

4.2.3 平衡方程

4.2.4 平衡方程边界条件的确定

4.3 云杉树风倒变形问题的控制方程

4.4 云杉树风倒非线性力学模型的计算参数与求解

4.4.1 输入模型计算参数

4.4.2 对控制方程进行简化计算：

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢

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