作物多尺度力学初探

作物力学性能广泛应用于作物抗倒伏性、机器-作物-土壤互作系统和作物栽培等领域的研究,为培育抗倒伏品种、提高机器作业质量和改进栽培措施提供理论支持。作物的力学性能与其形态结构、解剖学特征、化合物组分等有密切关系。该研究在梳理作物力学性能研究的基础上,将作物多尺度力学概括为以作物为研究对象,分别以细胞壁层、细胞壁、细胞、组织和器官为基本元件,依次建立细胞壁、细胞、组织、器官和植株的几何结构与力学模型,并解析其力学性能的科学。进一步对细胞壁结构力学、细胞结构力学、组织结构力学、器官结构力学和植株结构力学的研究内容进行了归纳总结。该研究明确提出作物多尺度力学的概念、系统归纳其研究内容和方法,有利于促进作物多尺度力学理论的形成、数据库的建立和分析软件的开发。

小麦茎秆力学性能与化学组分试验

为分析茎秆的力学性能与主要化学成分之间的相互关系，试验研究了小麦成熟期茎秆的主要力学性能，测定了茎秆不同状态下纤维素、半纤维素、木质素，以及蛋白质、脂肪和糖分等主要化学成分含量。结果表明：小麦茎秆最大拉力为182．38～242．74N，拉伸强度为30．36～52．65MPa，弹性模量为1143．44～1985．86MPa；纤维素、半纤维素和木质素的质量分数分别为22．58％～48．18％、10．85％～22．45％、4．83％～10．59％。小麦茎秆是由纤维素、半纤维素和木质素组成的天然高分子复合材料。呈各向异性，其强度和刚度主要取决于纤维素、半纤维素和木质素的含量及其链接形式和排列方式。

小麦茎秆力学性能与微观结构研究

测定了小麦成熟期茎秆的力学性能,研究了茎秆的应力-应变规律。试验观察了茎秆的微观组织结构,得到了茎秆扫描电镜下的解剖构造图像。分析了小麦茎秆承载能力与微观组织结构的相互关系,建立了茎秆横截面的力学模型。结果表明：小麦茎秆是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀和各向异性的复合材料,茎秆具有较高的强度和良好的弹性,其承载能力取决于机械组织的厚度、维管束的数量以及各组织及其细胞之间的连接形式和连接强度,小麦茎秆的抗拉强度为30.36~52.65 MPa,弹性模量为1.14~2.05 GPa。

玉米茎秆细胞壁和组织构建对抗压强度的影响

耐密抗倒伏玉米品种是玉米育种的重要方向,探究影响玉米茎秆抗压强度的机制是培育玉米新品种的重要途径。本实验采用组织化学、显微观察的方法研究了10个玉米品种茎秆的形态结构、解剖特征和细胞壁的化学组成,并分析了这些变量之间的相关性,结果表明:茎的皮层/半径、厚壁组织比例、机械组织比例和纤维素含量、木质素含量与抗压强度呈极显著正相关关系;薄壁组织比例、茎长/茎粗、维管束个数与抗压强度呈极显著负相关关系。利用共线性诊断和逐步线性回归分析发现,影响茎秆抗压强度的主要因素为皮层/半径、机械组织比例、维管束个数、纤维素含量和木质素含量。利用通径分析进一步定量研究了这5个变量与抗压强度之间的直接作用和间接作用,明确了决定玉米茎秆抗压强度的主要因素为纤维素含量、木质素含量和单位面积维管束个数。本实验还建立了玉米茎微观结构与细胞壁化学构成的数学模型,为进一步揭示玉米茎微观力学形成机理提供了思路,进而为耐密抗倒伏玉米育种提供了研究方向。

基于压痕加载曲线的谷物籽粒硬度性能测定技术

使用500 N微机控制材料试验机,利用压痕加载曲线,进行了用针尖压入法测定谷物籽粒硬度的试验研究,测得豌豆、蚕豆、大米、绿豆、小麦、扁豆以及玉米在不同组成部位、不同含水率时的硬度值在2～75 MPa范围内。研究表明,试验加载速度在0.25～2.00 mm/s范围内、针尖压入深度在0.25～1.50 mm范围内时对试验结果无明显影响,而针尖锥度与籽粒硬度存在定量关系。

叶斑病对白桦树干液流的影响

应用热扩散法,对白桦树干液流进行连续两个生长旺期测定.与健康白桦相比,患叶斑病的白桦树干液流格局发生明显改变.在晴天树干液流密度日变化由单峰曲线转变为双峰曲线,或单峰曲线峰值较光合有效辐射峰值显著提前或推后;液流密度峰值及全天均值远远低于同期的健康白桦,且晚上及凌晨输水比例明显升高,表明晚上主要靠根压输送水分,维持光合作用必需原料及生长所需的矿物质;并且此时树干液流密度变化受外界环境因子的决定比重减小或根本无相关显著的环境因子.叶感病白桦树干液流具有以上特点,是因为具有较强的蒸腾生理调控力,以适应叶部病害而求得生存.

小麦根系力学性能及微观结构研究

测定了小麦成熟期根系力学性能的主要指标,研究了根的应力-应变规律,观察了根的微观组织结构,得到了根的解剖构造图像,建立了小麦根的横截面力学模型。结果表明:小麦根是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀、各向异性的复合材料,根具有一定的强度和良好的弹性,其承载能力取决于机械组织厚度、维管束数量,以及各组织及其细胞之间的连接形式和连接强度,小麦初生根和次生根的强度极限分别为21.21～57.25 MPa和3.08～13.07 MPa。

土壤-植物根系复合体本构关系的理论研究

为研究土壤-根系复合体强度问题,运用土壤力学理论和复合材料力学方法分析了土壤-根系复合体的力学特性和力学模型;在弹性、横观各向同性条件下,计算得出了表征土壤-根系复合体应力-应变关系的本构方程。研究结果表明:土壤-根系复合体的强度,不仅与土壤和根系的材料特性、形态结构、含水率以及根系含量有关,而且与土粒和土粒之间、土粒和根系之间的黏聚力、内摩擦力密切相关。

三江源区植物根-土复合体的抗拉拔力特征及影响因素分析

为研究高寒地区草地恢复过程中牧草根系固土稳定性机制,在青藏高原三江源区对燕麦根—土复合体进行原位拉拔试验,系统分析了燕麦根—土复合体抗拉力的表现特征及影响因素。结果表明:(1)根—土复合体的抗拉力在不同地形、种植方式等不同情况下,表现出的特征不一致。高密度区比低密度区的抗拉力小,撒播区比条播区的抗拉力小,高坡度区比低坡度区抗拉力小,远离冲蚀沟区比冲蚀沟区附近抗拉力小,且差异显著(P<0.05)。(2)根—土复合体的抗拉力与地上生物学性状相关性低,与根系生物学性状相关性高。(3)复合体的抗拉力与根径(RD)、须根条数(RN)呈极显著正相关(P<0.01),与根长(RL)、单根生物量(RW)呈显著正相关(P<0.05)。

土壤孔隙水承压条件下4种根—土复合体抗剪特性

采用直剪仪对4种沙生植物重塑的根—土复合体及素土进行快剪试验,探讨了其抗剪强度以及根径和垂直压力对抗剪强度的影响。结果表明,柠条、沙柳、沙地柏、白沙蒿根—土复合体在1.5m(25kPa)的浅层土体范围内抗剪强度均大于素土,4种植物根—土复合体的内摩擦角与素土相比差异不明显;在根径相同(1.25mm)的情况下,4种植物根—土复合体的黏聚力均大于素土,其黏聚力增加率的变化范围在4.60%～46.23%之间,大小顺序为:柠条>沙地柏>沙柳>白沙蒿;4种植物随着根径的增加,复合体的抗剪强度均有不同程度的增大。

根系对土壤机械压力影响的模拟试验

为了研究根系对土壤机械压力的大小、分布和影响因素以及各个因素与其相互关系,该研究采用自制的压力测量装置,测定并分析了不同模拟根系对不同体积质量土壤产生的机械压力及其影响因素。试验结果表明:模拟根系对土壤机械压力与根系直径呈极显著(p<0.01)幂函数关系,随着直径增加,根系对土壤的机械压力增加;随着土壤体积质量增加和土层深度增加,根系对土壤机械压力增加;当植株受到风力作用时,随着风力变大,根系对土壤机械压力呈递增变化。模拟研究表明,根系生长可以对土壤产生机械压力,地表风力等扰动力量也可以传递到根系并引起这种机械压力的变化,这种压力可能会对土壤结构和物理行为产生影响,需要进一步深入研究。尽管该文是通过模拟根系进行模拟生长试验,仍然对研究根系生物力学有指导意义。

黄瓜藤秸秆力学特性与显微结构研究

为了找到园艺秸秆高效切割粉碎处理的内素,研究了黄瓜藤秸秆的力学特性与纤维结构。通过对比黄瓜藤秸秆根部、中部和头部拉伸应力-应变曲线发现,秸秆中部呈现塑性材料特性,头部和根部表现出脆性材料特点。黄瓜藤秸秆根部平均弹性模量是280.58MPa,远大于中部和头部的平均弹性模量198.81MPa和137.22MPa。通过对黄瓜藤秸秆的显微结构的进一步研究发现,黄瓜藤秸秆均是由表皮、机械组织、维管束和薄壁组织组成的,是一种多孔、筛状、不均匀的复合材料。这些都为研制切割机械、选择切割参数提供了设计依据。

4种植物直根抗折力和抗折强度的研究

以柠条(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙柳(Salix psammophila)和白沙蒿(Artemisia sphaerocep)的直根为研究对象,采用TY-8000伺服式强力机进行两端固定式折断试验,研究了土体内的根系受到径向折断力作用时,不同径级直根的抗折力和抗折强度。结果表明:在1~6mm径级范围内,4种植物直根抗折力随根径的增加均呈幂函数增长趋势,抗折强度随根径的增加呈幂函数减小趋势;在a=0.05的显著水平下,4种植物直根平均抗折力、抗折强度种间差异性均显著。随着径级的增加,柠条、沙柳、沙棘和白沙蒿4种植物直根平均抗折力范围分别为(79±5.8)^(1 119±104.46),(32±6.12)^(410±36.1),(12±1.5)^(141±6.2),(8±1.2)^(100±2.56)N,直根平均抗折强度范围分别为(62±9.68)^(43±4.01),(25±3.82)^(15±1.42),(8±1.01)^(6±1.29),(6±0.61)^(4±0.14)MPa。1~6mm径级范围内,4种植物种内径级间平均最大折断变形量差异性不大,平均最大折断变形量排序为柠条(16.77mm)>沙柳(14.7mm)>沙棘(11.22mm)>白沙蒿(8.68mm)。

番茄压缩载荷的响应分析

根据番茄结构特点,以二维问题为研究对象,建立了番茄力学模型。提出了用线性拟合试验数据确定物体刚度的方法。研究了番茄压缩时压缩外力、压缩变形量和皮的应力之间的关系。为设计制造有关各种机械和系统;为预测机械损伤、提高产品质量据提供理论指导。通过试验和番茄力学模型的计算,得出了番茄在压缩情况下,总体变形量与压缩外力以及皮的应力的关系是非线性关系;皮的应力与压缩外力的关系是近似线性关系;面积改变量随压缩外力的增加而呈线性的增加;番茄首先在不受力的表皮破裂。

苹果压缩特性的研究

通过苹果的压缩试验，测定和分析了其力－变形曲线的特性。结果表明，压缩时的加载速率与压头型式影响生物屈服力、破裂力与变形量的大小；在一定条件和范围内，苹果硬度与压缩曲线初始区段的斜率线性显著相关，且苹果的机械损伤与其变形量有关。

狗牙根根系分布特征及其抗拉强度试验研究

以狗牙根为研究对象,就狗牙根根系在土壤中的分布及其抗拉强度进行了初步研究。结果表明,根系密度及根系重量随土层深度(0—40 cm)的增加而减少,其规律均服从指数函数关系分布;根系抗拉力随直径增大而增大,其分布规律均可用二次函数进行拟合;根系的平均抗拉强度为39.349 MPa,约为Ⅰ级钢筋抗拉强度的17%,能产生显著的根系"加筋作用",抗拉强度随直径增大而减小,其规律服从指数函数关系分布。根据狗牙根根系分布特征及抗拉强度特性,其固土护坡作用较大。

黄瓜叶肉细胞壁的微观力学性能

以黄瓜叶肉组织为研究对象,经过固定—脱水—包埋—切片处理后,在纳米压痕仪上进行单轴压缩试验.试验结果表明:在应力小于1.0 MPa时,细胞壁发生弹性变形,当应力大于1.0 MPa时,细胞壁会产生塑性变形;同时可以看出在弹性变形范围内,当应力小于0.4 MPa时,应力-应变关系呈线性关系,而应力大于0.4 MPa时,应力-应变呈现非线性特征.为了精确地表述细胞壁材料的力学特性,在对应力-应变数据进行分析的基础上,采用2参数的Mooney-Rivlin模型对试验数据进行拟合,得到模型参数C1和C2分别为0.792,0.195 MPa.

沙柳、白沙蒿根系轴向拉伸弹塑性初探

为了研究根系的弹塑性特征,采用多次重复拉伸的试验方法,对沙柳、白沙蒿1mm^1.5mm根径范围内的单根进行轴向拉伸试验,分析其弹塑性变形特点。结果表明,两种植物6 cm长单根在拉伸初始阶段,试验根所产生的变形为弹性变形,若荷载超过试验根的弹性极限,应力状况由弹性状态发展到弹塑性状态,试验根产生塑性变形;在弹塑性变形过程中,试验根的弹性极限面发生改变,弹性极限提高,达到历史极限荷载的90%以上;试验根经历弹塑性变形阶段后,试验根的弹性模量降低,表现出明显的弹塑性耦合现象。

测量根系对土壤机械压力的试验装置设计

根系对土壤机械压力是综合反映土壤-根系复合体相互作用的力学指标。该研究研制出了一种可利用气体或液体介质进行直接测量根系对土壤机械压力的试验装置。利用气体介质测量装置进行了模拟根系的穿插试验取得了较好的试验结果;利用液体测压试验装置进行了模拟根系穿插试验和植物生长期根系压力测定的初步试验,结果表明:装置满足压力测量试验设计的需要,具有较好的适用性和精度,可以用本试验装置直接进行根系对土壤机械压力的测量。

根土相互作用关系对树干振动特性的影响

为研究树木在外载荷作用下发生振动时土壤与根系间的力学关系,以北京林业大学苗圃内的4棵3年生毛白杨为研究对象,分别在自然状态、根土摩擦以及固定端约束3种根土相互作用关系下,进行了振动试验并测量了自振频率。分别对应上述3种关系建立了根土刚性连接、根土摩擦和固定端约束3种有限元模型,并通过模态分析得到了模型自振频率。对比实验值与模拟值,探讨了根土间相互作用关系对树木振动特性的影响。结果表明:(1)在3种不同的约束下,树干振动试验所得的自振频率大小依次为:固定端>自然状态>根土摩擦,而且三者的数值差异显著;(2)有限元模型结果中自振频率大小依次为:固定端>根土刚性连接>根土摩擦,与实验结果吻合,说明采用根土刚性连接模型模拟自然状态情况较其他两种模型效果更好;(3)随着外载荷的增大,土壤对树木振动特性的影响也显著增大。