小麦生长的力学特性及其动力学规律研究

论文摘要

小麦生长过程中根茎叶力学特性及其动力学规律的研究属生物力学范畴。本文运用力学的基本原理，借鉴工程设计思想，采用试验研究与理论分析相结合的方法，主要研究了小麦生长成熟期根、茎、叶的力学性能、根系-土壤复合体的应力-应变关系和风力作用下小麦茎秆的动力学规律。1．围绕力学性能，全面系统地研究了小麦成熟期根茎叶的力学特性，测得了根茎叶在拉伸、弯曲、压缩和剪切四种基本变形条件下的应力-应变曲线，获得了表征根茎叶强度、刚度和稳定性的主要评价指标，分析了根茎叶在外力作用下的变形规律和破坏规律。结果表明：小麦根茎叶具有不同的强度和刚度。茎秆的强度σj≈21．85～74．91MPa，弹性模量Ej≈580～3140MPa；叶片的强度σy≈2．04～9．54MPa,弹性模量Ey≈83．90～303．40MPa；初生根强度σg≈11．4～57．25MPa，弹性模量Eg≈137．6～470．5MPa；次生根强度σg≈1．07～13．07MPa，弹性模量Eg≈114．3～470．4MPa。茎秆的纵向、横向的抗压性能和抗剪性能有明显差别，纵压强度σjz≈7．40MP>横压强度σjh≈0．62MPa；横剪强度τjh≈6．21MPa>纵剪强度τjh=0．34MPa。叶片的纵向拉伸强度高于横向撕裂强度，叶片纵拉σyz≈4．85MPa>横撕σyh≈0．44MPa。小麦生长状态下茎秆的变形主要是悬臂弯曲，其破坏一般首先发生在根部附近的弯曲一侧，大多在第二节间；茎秆轴向压缩时，茎秆沿纵向纤维方向破裂；根茎叶轴向拉伸时，均在横截面发生断裂。根茎叶具有的强度和刚度，是小麦在复杂外力作用下能正常生长的主要原因，是根茎叶资源工业开发利用的基本依据。2．围绕组织结构，观察了小麦根茎叶微观组织的解剖构造影像，分析了根茎叶机械组织、薄壁组织和输导组织与力学性能之间的关系，比较了根茎叶微观组织结构的差异及其对力学性能的影响程度。结果表明：小麦根茎叶是多孔、不连续、非均匀、各向异性材料；根茎叶的横截面形如蜂窝，密实组织和多孔组织交错；纵向截面如同多层纤维组成的复合材料。根茎叶的承载能力主要决定于它们的机械组织（厚壁细胞组织）的层数（厚度）和纤维组织的排列形式；根茎叶外表皮机械组织发达、密实度高；维管束厚壁细胞（纤维）是主要的承力元件，薄壁细胞（基体）则起连接、传载作用。茎秆纤维密度沿秆壁径向由里向外逐渐增加，因此形成了茎秆承受外载弯曲的最佳结构。3．根据复合材料，建立了小麦根系-土壤复合体的力学模型，得到了根系-土壤复合体的应力-应变公式，探讨了根系-土壤复合体工程常数的计算方法，分析了小麦根系发育生长与土壤环境、土壤应力之间的相互关系。结果表明：土壤-根系复合体任一方向的正应力，不仅与各方向的应变分量有关，而且还与各方向的工程常数密切相关，与泊松比的关系更为复杂，其剪应力与相应平面的剪应变和剪切弹性模量成正比。土壤-根系复合体的强度，取决于土粒与土粒、土粒与根系之间的内摩擦力和黏聚力；粘聚力和摩擦力不仅与土壤、根系的材料特性、组织结构有关，而且与含根量、水分含量相关。粘聚力C≈25．1～43．6KPa，摩擦角Φ=23．730～35．330,根系-土壤复合体的强度τ=（25．1～43．6）+σtan（23．730～35．330）；根系对复合体强度的贡献，主要来源于根与土粒之间的摩擦力。研究表明：作物根系在空间的分布随土壤应力的增大呈指数曲线变化；土壤应力增大，作物根量、根长、根系表面积递减。4．围绕动力性能，建立了小麦生长成熟期风力作用下的力学模型，推得了小麦成熟期风力作用下的微分方程，系统研究了小麦成熟期在瞬时风力和持续风力作用下的动力响应，得到了小麦成熟期风力作用下的频率方程、主振型函数、运动方程和强度评价公式。结果表明：小麦在随机风力作用下茎秆系统的响应和振动强度，与茎秆系统形态、茎秆系统材料性质、自然环境条件、土壤状态等因素有关。具体参数涉及叶片数量及其夹角、迎风面积，茎秆高度、茎秆形态、横截面积；麦穗质量、叶片质量、茎秆质量、茎秆转动惯量、茎秆弹性模量、茎秆剪切模量、茎秆内阻尼；风速、风压、风的脉动性、风速分布、地面粗糙度、地理位置，以及土壤松软程度。小麦生长成熟期风力作用下的运动微分方程：小麦生长成熟期风力作用下的运动规律表达式：

论文目录

• 摘要
• SUMMARY
• 前言
• 第一章 国内外研究进展
• 1.1 生物力学的发展概况
• 1.1.1 生物力学的历史源渊
• 1.1.2 生物力学研究的内容
• 1.1.3 生物力学发展的动力
• 1.2 植物力学的研究进展
• 1.2.1 力学在治理土壤侵蚀领域的研究与应用
• 1.2.2 力学在农作物栽培领域的研究与应用
• 1.2.3 力学在农业高效节水领域的研究与应用
• 1.2.4 力学在农产品加工领域的研究与应用
• 1.2.5 力学在植物生长环境领域的研究与应用
• 第二章 研究的主要内容和主要方法
• 2.1 研究的主要内容
• 2.2 研究的主要方法
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验材料与试验方法
• 第三章 小麦根系-土壤复合体力学性能
• 3.1 小麦根系的力学性能
• 3.1.1 小麦根的应力-应变规律
• 3.1.2 小麦根的抗拉强度与弹性模量
• 3.2 小麦根系的组织结构与力学性能
• 3.2.1 小麦根横截面解剖构造的基本特征
• 3.2.2 小麦根纵截面解剖构造的基本特征
• 3.2.3 小麦根的组织结构与力学性能
• 3.3 小麦根系-土壤复合体的强度
• 3.3.1 小麦根系-土壤复合体的粘聚力与摩擦角
• 3.3.2 小麦根系-土壤复合体的抗剪强度
• 3.4 小麦根系-土壤复合体应力-应变规律
• 3.4.1 小麦根系-土壤复合体力学模型
• 3.4.2 小麦根系-土壤复合体应力-应变关系
• 3.4.3 小麦根系-土壤复合体的工程常数
• 3.5 土壤应力与作物根系生长的关系
• 3.5.1 土壤任一点的垂直应力与侧向应力
• 3.5.2 土壤应力与小麦根量、根长的关系
• 第四章 小麦茎秆的力学性能
• 4.1 小麦茎秆的拉伸性能
• 4.1.1 小麦茎秆拉伸的应力-应变规律
• 4.1.2 小麦茎秆的抗拉强度与弹性模量
• 4.2 小麦茎秆的弯曲性能
• 4.2.1 小麦茎秆悬臂横向弯曲
• 4.2.2 小麦茎秆简支横向弯曲
• 4.2.3 小麦茎秆轴向弯曲
• 4.3 小麦茎秆的剪切性能
• 4.3.1 小麦茎秆横向剪切
• 4.3.2 小麦茎节横向剪切
• 4.3.3 小麦茎秆茎节纵向剪切
• 4.4 小麦茎秆的压缩性能
• 4.4.1 小麦茎秆径向压缩
• 4.4.2 小麦茎秆轴向压缩
• 4.5 小麦茎秆的组织结构与力学性能
• 4.5.1 小麦茎秆横截面解剖构造的基本特征
• 4.5.2 小麦茎秆纵截面解剖构造的基本特征
• 4.5.3 小麦茎秆的组织结构与力学性能
• 第五章 小麦叶片与麦芒的力学性能
• 5.1 小麦叶片的纵向拉伸性能
• 5.1.1 小麦叶片纵向拉伸的应力-应变规律
• 5.1.2 小麦叶片的纵向拉伸强度与弹性模量
• 5.2 小麦叶片的横向撕裂性能
• 5.2.1 小麦叶片横向撕裂的应力-应变规律
• 5.2.2 小麦叶片的横向撕裂强度与弹性模量
• 5.3 小麦麦芒的拉伸性能
• 5.3.1 小麦麦芒拉伸的应力-应变规律
• 5.3.2 小麦麦芒的强度与弹性模量
• 5.4 小麦叶片的组织结构与力学性能
• 5.4.1 小麦叶片解剖构造的基本特征
• 5.4.2 小麦叶片的组织结构与力学性能
• 5.5 小麦叶片生长形态的数学描述
• 5.5.1 麦叶片力学模型的建立
• 5.5.2 小麦叶片形态的理论分析
• 5.5.3 小麦叶片曲线弯曲分界点
• 第六章 小麦生长状态风力作用下的动力学规律
• 6.1 随机风载的基本参数
• 6.1.1 基本风压的计算
• 6.1.2 风压高度变化系数
• 6.1.3 风振系数
• 6.2 小麦成熟期风力作用下的运动微分方程
• 6.2.1 小麦成熟期风力作用下的力学模型
• 6.2.2 小麦成熟期风力作用下的微分方程
• 6.3 小麦成熟期风力作用下的摆动规律
• 6.3.1 瞬间风力干扰下小麦茎秆的摆动规律
• 6.3.2 持续风力作用下小麦茎秆的摆动规律
• 6.4 小麦茎秆随机风力作用下的强度评价
• 6.4.1 随机风力下小麦茎秆的频率响应函数
• 6.4.2 随机风力下小麦茎秆强度的评价计算
• 第七章 结论与讨论
• 7.1 主要结论
• 7.2 讨论与思考
• 7.3 特色与创新
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 附录
• 1 陇春27-4茎秆纵向拉伸试验曲线
• 2 陇春23茎秆径向压缩试验曲线
• 3 陇春27-4茎秆轴向压缩试验曲线
• 4 陇春23茎秆横向剪切试验曲线
• 5 陇春27-4茎秆纵向剪切试验曲线
• 6 陇春23茎节径向剪切试验曲线
• 7 陇春27-4茎节纵向剪切试验曲线
• 8 陇春23、陇春27-4茎秆悬臂弯曲试验曲线
• 9 陇春23茎秆简支弯曲试验曲线
• 10 陇春23茎秆稳定性试验曲线
• 11 陇春23根的纵向拉伸试验曲线
• 12 陇春27-4麦芒拉伸试验曲线
• 13 陇春23叶片纵向拉伸试验曲线
• 14 陇春23叶片横向撕裂试验曲线
• 15 小麦茎秆显微结构影像
• 16 小麦叶片显微结构影像
• 17 小麦根的显微结构影像
• 18 主要符号说明