小麦倒伏影响因素的力学有限元分析

1、小麦倒伏影响因素的力学有限元分析摘 要：本文运用有限元的原理，通过ANSYS软件建立小麦茎秆的力学有限元模型，理论研究了小麦倒伏与基部 第一节间长、小麦茎秆杆粗以及小麦的厚壁机械组织的厚度 之间的关系，与小麦倒伏影响因素的实验结论作对比，为小 麦茎秆倒伏提供新的研究途径。关键词：农业基础学科；茎倒伏；力学分析；ANSYS软件中图分类号： S512. 1 文献标识码： A DOI： 10.11974/nyyjs.20160431004倒伏是外界因素引起的植物茎秆从自然状态到永久错 位的现象 1。小麦是我国重要的粮食作物，小麦生长过程中 倒伏现象不但会造成小麦的减产，还会影响小麦的籽粒质量， 成为

2、制约小麦高产稳产的重要因素 2 。因而作物倒伏问题成 为农学家亟待解决的问题之一。小麦力学性质通常的分析方 法是将小麦茎秆理想地视作一端固定、一端自由且具有弹性 的均匀粗度和厚度的空心细长秆 3 ，忽略了茎秆横截面微观 构造对小麦茎秆倒伏的影响。为此，作者以茎秆基部第一节 间作为研究对象，通过ANSYS软件建立小麦茎秆的力学有限 元模型，将小麦抽象成均匀正交各向异性的双层复合空心圆 柱模型，考虑小麦横截面微观构造对小麦不同方向的弹性模 量以及小麦有限元单元选取的影响。理论分析小麦倒伏时小 麦茎秆基部第一节间的长度，茎粗以及小麦壁厚和小麦茎秆 变形的关系，为小麦倒伏的研究提供力学理论支持。1 小

3、麦倒伏的分类 小麦倒伏分为茎倒伏和根倒伏。根倒伏是茎秆整体产生 倒伏而茎秆不弯曲的现象。根倒伏主要是由于土壤含水量高 以及土壤结构强度差等原因，使小麦根系发育不良造成植株 倒伏。另外小麦植株自身根系较弱、分布浅和病虫害的影响 也是造成植株倒伏的重要原因。茎倒伏是作物茎秆弯曲或折 断但根部固定无损的现象。造成茎部弯折性倒伏的原因一方 面是植株自身基部节间纤细，茎秆硬度低；另一方面是外界 因素，如恶劣的自然天气 （大风、 暴雨、暴雪、冰雹等） 4 研究表明根倒伏相对茎倒伏减产较小，从而认为茎倒伏小麦 倒伏的主要形式 2 。本文主要分析小麦基部节间茎秆的特性 与小麦茎秆变形之间的关系，理论验证小麦茎

4、倒伏的不同影 响因素。2 小麦横截面微观结构 据小麦的微观结构，可以将小麦抽象成双层复合空心圆 柱结构，外层为小麦的厚壁机械组织，里层为带有维管束组 织的基本薄壁组织。3 模型的建立与求解选取小麦茎秆基部第一节间作为研究对象，将其模拟成 一种双层复合空心圆柱结构。参照文献的数据 6 ，基部第一 节间的外径 D=5mm ，壁厚 d=0.47mm 。厚壁机械组织厚度 =0.1mm ,基础薄壁组织的厚度 =0.37mm.基部第一节间长度 L=80mm7。将小麦抽象为均匀的线弹性正交各向异性材料， 且具有横观各向同性的性质。正交各向异性材料的柔性矩阵 为：根据现有的研究，取小麦茎秆的 8 ，研究中指出

5、纵向和 横向弹性模量之比约为 109-10 。因而 =，泊松比则趋近于 0.2711。小麦茎秆的切变模量取值如下：图中显示小麦茎秆在横向力的作用下发生倒伏，越接近 小麦基部小麦茎秆的变形越大，说明小麦茎秆基部较为容易 发生倒伏。而 Hoshikawa 等 1 2认为植物倒伏主要集中在整 个茎秆10%30%的基部位置，基部节间是影响小麦倒伏的 关键部位。从实验研究结果可以证实模型建立方法切实可行。4 小麦茎秆倒伏的影响因素4.1 小麦基部第一节间长 保持小麦模型的其他特性不变，给小麦基部第一节间施 加相同约束和横向作用力，将小麦的基部第一节间长作为自 变量，小麦模型的最大变形量作为因变量，绘制关

6、系图，如 图 3 所示。从图 3 中可以得出，小麦基部第一节间的最大变形量随 着小麦基部第一节间长的增长呈线性增长。在实验研究方面，Kelbert A J等13通过对小麦茎秆性状研究证实， 抗倒伏品种 基部节间长度明显短于易倒伏品种。因此，可以得出结论： 小麦基部节间越长，小麦发生倒伏的几率越大。4.2 基部第一节间厚壁机械组织壁厚 控制小麦的茎粗和小麦的薄壁基本组织厚度不变，在基 部第一节间长为 80mm 的模型上施加相同约束和横向作用力， 依次增大小麦基部第一节间厚壁机械组织壁厚，绘制小麦最 大变形量和壁厚的关系图，如图 4 所示。由图 4 可知，小麦基部第一节间厚壁机械组织壁厚和小 麦茎

7、秆的最大变形量呈显著负相关。小麦厚壁机械组织越厚， 对小麦茎秆的支持作用越强，使得小麦的抗倒伏能力越强。4.3 茎粗将小麦茎粗作为研究对象，给壁厚为 d=0.47mm 。厚壁 机械组织厚度 d1=0.1mm ，基础薄壁组织的厚度 d2=0.37mm. 基部第一节间长度 L=80mm 的模型施加约束和横向荷载，绘 制小麦茎粗和最大变形量的关系图，如图 5 所示。小麦茎秆的最大变形量随基部第一节间茎粗的增长而 线性下降，茎秆较粗时小麦茎秆受力产生的变形较小，抗倒 伏能力强，茎秆较纤细时， 小麦的抗倒性弱。 1973年 PinthusM J14 通过实验得出了小麦基部茎粗、壁厚度与倒伏性呈显著 负相

8、关的结论，佐证了模型分析结论的正确性。5 结论 通过有限元建立小麦基部第一节间模型，理论分析得出 的各影响因素和小麦的抗倒性的关系和实验得出的结论相 吻合，为小麦倒伏分析提供一种新的思路。小麦基部节间是发生茎倒伏的重要部位，越靠近基部， 小麦茎秆受力产生的变形越大，茎秆失稳发生倒伏的可能性 越大。小麦的抗倒性和小麦基部第一节间长呈显著负相关，和 小麦基部第一节间厚壁机械组织壁厚、茎粗呈显著正相关。参考文献1 安呈峰 .高产小麦发育后期基部节间和倒伏的关系D.山东：山东农业大学， 2008： 1-62.2刘雪平.小麦预防倒伏试验研究 J农业科技通讯，2016：111-113.3于 雪，张万琴，陆

9、 博等 .小麦茎杆抗倒伏的模型分析 J .河南科技学院学报， 2013， 41（6）： 33-36.4 李红波 .小麦茎秆力学特性的实验研究 D .山西太原： 太原理工大学， 2005： 1-84.5 郭维俊， 王芬娥， 张锋伟等 .小麦茎秆承载能力及其微 观结构研究C 中国农业机械学会 2008年学术年会论文集.6 王芬娥， 黄高宝， 郭维俊等 .小麦茎秆力学性能与微观结构研究J.农业机械学报，2009，40（ 5）: 92-95.7 冯素伟，姜小苓， 胡铁柱等 .不同小麦品种茎秆显微结构与抗倒强度关系研究J 中国农学通报,2012 , 28 (36):57-628 胡 婷，焦群英，付志一等

10、 .小麦茎秆的抗弯复合材料 力学模型J.应用力学学报，2007, 24 (1): 279-284.9 Niklas K J. Modes of Mechanical Failure of Hollow ，Septate StemJ. Annals of botany ，1998( 81 )： 11-21.10 Spatz H-C H， Speck T. Local Buckling and other modesoffailure in hollow plant stems M. Biomimetics ，1994：149-173.11 方会敏，姬长英，张庆怡等.小麦茎秆力学性能的国内外研究J.中国农机化学报，2014，35 ( 6): 304-308.12 Hoshikawa K， ， 1990， 59( 4): 809-814.13 Kelbert A J， Spaner D， Briggs K G， Etal.The association of clum anatomy with lodging susceptibility in modern springwheat genotypesJ.Euphytica ，