小麦茎秆截面椭圆化的模拟与分析

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1、小麦茎秆截面椭圆化的模拟与分析摘要：利用有限元软件ａｎｓｙｓ／ｌｓ－ｄｙｎａ建立含有５个节间的小麦茎秆模型，模拟分析了典型风荷载作用下小麦茎秆截面椭圆化的变化特性。模拟结果表明，小麦茎秆穗部在爆炸风荷载作用下，基部节间截面是否椭圆化与风荷载的冲量大小有关，冲量越小截面越不易椭圆化，茎秆越不易倒伏。沿整个茎秆轴线，截面椭圆化区域应力值最大，非椭圆化区域应力值偏小。关键词：小麦；倒伏；风荷载；有限元；冲量ａｂｓｔｒａｃｔ：ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｈｅａｔｓｔｅｍｓｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｙｐ

2、ｉｃａｌｗｉｎｄｌｏａｄ，ｗｈｅａｔｓｔｅｍｍｏｄｅｌｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇ５ｉｎｔｅｒｎｏｄｅｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅａｎｓｙｓ／ｌｓ－ｄｙｎａ；ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｈｅａｔｓｔｅｍｓｅｃｔｉｏｎｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｈｅａｔｓｔｅｍｓｅｃｔｉｏｎｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎｗａｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｉｍｐｕｌｓｅｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗｉｎｄｌｏａｄ．ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｉｍｐｕｌｓｅｗａｓ，ｔｈｅｈａｒｄｅ

3、ｒｔｈｅｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｌｏｄｇｉｎｇｏｆｓｔｅｍ．ａｌｏｎｇｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｔｅｍａｘｉｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｗａｓｉｎｔｈｅｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎａｒｅａ；ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｓｗｅｒｅｓｍａｌｌｉｎｏｔｈｅｒａｒｅａｓ．ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｅａｔ；ｌｏｄｇｉｎｇ；ｗｉｎｄｌｏａｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｉｍｐｕｌｓｅ小麦在大风作用下易茎秆倒伏，由此可造成减产１０％～３０％。对小麦倒伏特性的研究，除了理论分析与试验测试外，模拟分析也是一种有效的方法。有限元模拟不受自然条件的限制，可以随时随地

4、进行，具有很大的优越性。ｎｉｋｌａｓ［１，２］利用有限元软件建立了含有一段节间和一个节的茎秆模型，对空心有节植物茎秆在静荷载作用下的失效模式进行了模拟分析。ｈａｍｍａｎ等［３］使用了ａｂａｑｕｓ软件，选择各向同性材料建立一段节间的小麦茎秆有限元模型，对三点和四点弯曲试验进行了模拟。胡婷等［４－６］使用ａｎｓｙｓ软件，模拟分析小麦茎秆在横向静荷载作用下的屈曲问题。目前对动态风荷载作用下小麦茎秆截面椭圆化的模拟分析较少。小麦茎秆弯曲倒伏有两种方式：一是弯曲过程中茎秆截面椭圆化，二是弯曲过程中茎秆沿纵向开裂。利用有限元软件ａｎｓｙｓ／ｌｓ－ｄｙｎａ建立含有５个节间的小麦茎秆

5、力学模型，模拟分析典型风荷载对小麦茎秆截面椭圆化的影响，为提高小麦植株抗倒能力，最终提高小麦产量和品质提供参考依据。１小麦茎秆材料模型利用有限元软件ａｎｓｙｓ／ｌｓ－ｄｙｎａ对小麦茎秆截面椭圆化进行动态模拟分析。根据小麦茎秆节间的实际情况，视节间为空心圆筒，选用薄壳单元模型ｓｈｅｌｌ１６３；视节为实心圆柱，选用实体单元模型ｓｏｌｉｄ１６４。节的模型如图１所示。ｓｈｅｌｌ１６３的单元算法选用单点积分的ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ－ｗｏｎｇ－ｃｈｉａｎｇ算法。节间选用双线性随动强化材料模型，屈服条件为ｍｉｓｅｓ屈服准则。节选用各向同性材料模型。参考实际测试数据以及文献［４］确定节

6、间以及节的弹性模量。参照文献［７］和［８］中常见材料的泊松比确定小麦茎秆的泊松比。材料参数见表１。根据成熟期小麦生长的实际情况，将小麦茎秆视为含有５个节间的变截面悬臂梁模型，固定端在茎秆基部。根据实际测试数据建立小麦茎秆几何模型，小麦茎秆几何尺寸见表２。小麦茎秆模型简图如图２所示，从右向左依次为１节间、１节、２节间、２节、３节间。风荷载作用在自由端并与轴线垂直。２模拟与分析风是一种随机荷载，其大小、方向都是随着时间而变化的。这里分析小麦茎秆在典型风荷载——爆炸荷载作用下的变形特性。爆炸荷载的表达式为：ｐ（ｔ）＝ｆ０（1-■），当ｔ≤ｔｄ0，当ｔ＞ｔｄ式中，ｐ（ｔ）为风

7、荷载，ｆ０为荷载最大值，ｔ为时间参数，ｔｄ为时间间隔。２．１小麦茎秆在爆炸荷载作用下的应力分布取ｆ０＝１．８ｎ、ｔｄ＝０．００５ｓ。在加载过程中，随着外力的逐渐增大，小麦茎秆上最大应力值逐渐增大，最大应力值点逐渐向固定端移动。最大应力值达到一定值时，应力最大值所在处截面发生椭圆化变形。截面椭圆化时整个茎秆上应力分布如图３所示，局部截面变形如图４ａ所示。由应力分布图可知，沿整个茎秆轴线，椭圆化区域应力值最大，非椭圆化区域应力值偏小。椭圆化区ｖｏｎｍｉｓｅｓ应力最大值大于屈服应力值９．５ｍｐａ，满足ｍｉｓｅｓ屈服准则。２．２力的大小对截面椭圆化的影响在力