基于线性滤波法的单株林木抗风有限元模拟

风灾是林木发生破坏的主要原因之一,研究树木结构特征以及受力特点能够深入了解树木在受风荷载作用时各个部位的应力状态,确定其易发生破坏的区域,从而采取对应措施保证林木的安全稳定性。运用线性滤波法可以模拟实际状态下的脉动风模型;利用有限元技术可建立树木的有限元模型。结合两者可以模拟树木受动力风荷载作用的过程,并可计算树木各个部位的应力状态和位移等参数。模型搭建过程分为2个部分:风模拟,即运用线性滤波法编程计算得到随机的时程风场,再通过计算转换为脉动风荷载并施加于单株林木;树的模拟可根据单株树木各部分密度、弹性模量等与树高线性相关的假设,采用ANSYS中的参数化建模法(APDL)编程得到树木模型。最后编制宏文件,得到可以通过更改个别参数达到调节树模型以及脉动风场的命令流文件。在模型加载后,通过对所得到数据进行分析和比较,了解林木的抗风性能。在该模拟中,采用我国华北地区沿海防护林树种黑松为主要研究对象。通过模拟,了解单株黑松在脉动风荷载作用下的力学响应,得知材料的抗剪切性能决定其抗风能力大小,从而可采取相应措施如加固或对林木进行定期修剪,提升林木稳定性。      

不同年龄刺槐枝、干和根的物理力学性质对比

【目的】研究不同年龄刺槐枝、干和根的物理力学性质差异,为提升其附加价值及其资源综合利用率提供理论支持和试验依据。【方法】测定不同年龄刺槐枝、干和根的密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量4项物理力学性质,利用SEM图像和化学成分解释枝、干和根间强度差异的原因。【结果】同株刺槐气干密度枝干根,随年龄增大,枝、干和根密度呈增大趋势,但增大幅度减小;刺槐枝气干密度略高于中等密度,干和根气干密度属于中等密度;同株刺槐枝、干和根顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量从大到小依次为干枝根,随年龄增大,枝、干和根顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量呈增大趋势,但增大幅度减小。纤维素含量与力学强度呈正相关,木质素含量与力学强度呈负相关。刺槐根纤维素含量大于枝和干。【结论】10年生以上刺槐,干可作为承重木结构原木用材;枝力学强度略低于干,在满足用材尺寸要求的前提下可作为一般结构用材;根可作为小尺寸的装饰结构性用材。刺槐根纤维素含量较高,可用于中密度纤维板制作。     

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数,在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象,构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先,采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角,利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能;进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值,建立堆积角与显著参数的二次回归模型;以实际堆积角为目标,利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证,仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠,可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。     

人工林刺槐木材物理力学性质研究

目的刺槐作为我国重要的速生用材树种,被广泛应用于北方人工林种植,深入研究刺槐木材的物理力学性质,为刺槐人工林建设经营以及木材的高效精细化利用提供科学依据。方法本文对采自于山东省东营市刺槐林场的4株不同树龄人工林刺槐沿树干等分成0.65 m长若干小段并顺序编号,测定和分析每段木材的物理性质(气干密度、全干密度、基本密度)、力学性质(顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量)以及化学组分(纤维素、半纤维素、木质素)含量,并通过SEM电镜扫描图对各段木材的微观构造进行对比分析。结果刺槐木材的气干密度、全干密度、基本密度、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、抗弯强度、抗弯弹性模量均随树龄的增大而增加,随树干位置增高呈现先增大后减小的规律。将木材气干密度与顺纹抗压强度、横纹(径向、弦向)全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别进行线性和幂函数拟合,两种模型均能很好地拟合试验结果,拟合度R2值为0.865~0.895。各段木材化学组分中纤维素含量随树龄及树干高度位置的变化规律与木材各项力学性质的变化规律相似。木材的微观构造中导管占比率随树龄增大而减少,随树干高度位置增加呈现出先减后增的变化规律。结论10年生、15年生、20年生、25年生刺槐木材的气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为中级以上,是良好的家具和建筑用材。在利用时应充分考虑不同树龄木材和树干不同位置的差别。密度作为影响木材力学性质的直接要素,可根据相关方程通过刺槐木材的密度值估算部分力学性质的数值。刺槐木材纤维素含量与木材各项宏观力学性质相关度很高,而木材导管占比率的差异则从微观构造上揭示了木材密度变化的内在机理。