植物茎秆屈曲行为研究

摘要

禾本科植物（小麦，水稻等）是当今世界上种植面积最广泛、总产量最高的农作物，有着极其重要的经济地位。随着世界人口的膨胀，人们对植物产量的要求也在不断提高。生物技术和农业科学的发展，催生了许多优良品种。但是植物的高产量(伴随高茎秆)与植物茎秆的抵抗倒伏性能始终是一对矛盾。而植物茎秆的屈曲是其倒伏的主要力学表现。
　　 本文以中空植物茎秆为研究对象，利用正交各向异性力学理论，建立纵向加肋多层圆柱壳模型，应用ABAQUS软件进行非线性屈曲分析，分别计算了植物茎秆在轴向荷载，弯矩，扭矩和风荷载单独和组合作用下的临界荷载和后屈曲平衡路径。探讨了各种荷载作用下植物茎杆的抗屈曲或抗倒伏能力。本文的主要内容包括：
　　 1，将正交各向异性理论引入到植物茎秆物理模型的建立中，由已知的柔度矩阵推导建立其刚度矩阵，得到各工程弹性常数之间的关系。根据正交各向异性材料的性质，参照国内外植物茎秆材料的实验研究成果，合理选定植物茎秆材料物性参数。
　　 2，将管状植物茎杆视作正交各向异性材料，基于植物茎秆微观结构的生物仿生，建立纵向加肋多层圆柱壳模型，采用二次减缩积分厚壳单元S8R，应用ABAQUS有限元软件进行建模计算与分析。
　　 3，应用非线性屈曲分析方法模拟管状植物茎杆的屈曲过程。首先分析其屈曲模态，然后分别计算了植物茎秆在轴压、弯矩、扭矩和风荷载作用下的屈曲和后屈曲行为。并与同种材料的等效单层圆柱壳模型的计算结果进行比较。
　　 4. 考虑到植物茎杆发生倒伏时的受力状况是相当复杂的,本文进而计算了植物茎杆在风压和轴压、风压和弯矩、风压和扭矩等复杂荷载作用下的屈曲行为。讨论了荷载组合作用下植物茎杆的抗屈曲或抗倒伏能力。
　　 本文分析模型和数值结果可供生物仿生和农业工程实际参考。