植物茎秆屈曲行为研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 管状植物茎秆研究进展
• 1.3 论文研究的主要工作
• 第二章 植物茎秆的材料物性参数
• 2.1 引言
• 2.2 木材的正交各向异性性质
• 2.3 管状植物茎秆的刚度矩阵
• 2.4 管状植物茎秆的物性参数
• 本章小结
• 第三章 植物茎秆在单个载荷作用下的屈曲行为
• 3.1 引言
• 3.2 有限元方法回顾
• 3.3 ABAQUS 软件介绍
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 ABAQUS 非线性计算介绍
• 3.3.3 ABAQUS/Standard 中的平衡迭代和收敛判定
• 3.3.4 ABAQUS 屈曲分析方法介绍
• 3.4 建立计算模型
• 3.4.1 茎秆的模型简化和仿真设计
• 3.4.2 单元选择与定义局部坐标系
• 3.4.3 给定边界条件
• 3.5 计算结果
• 3.5.1 轴压作用下的屈曲
• 3.5.2 弯矩作用下的屈曲
• 3.5.3 扭矩作用下的屈曲
• 3.5.4 风载荷作用下的屈曲
• 本章小结
• 第四章 植物茎秆在复合荷载作用下的屈曲行为
• 4.1 引言
• 4.2 茎秆在轴压和风压共同作用下的屈曲和后屈曲
• 4.3 弯矩和风压共同作用下屈曲和后屈曲
• 4.4 扭矩和风压共同作用下屈曲和后屈曲
• 4.5 轴压和扭矩共同作用下屈曲和后屈曲
• 本章小结
• 第五章 全文总结和展望
• 5.1 论文的主要工作和结论
• 1. 建立了植物茎秆的力学模型
• 2. 研究了植物茎秆在单个荷载作用下的屈曲行为
• 3. 研究了植物茎秆在复合载荷作用下的屈曲行为
• 5.2 论文的创新点
• 5.3 建议和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文