马尾松树木力学建模及在冰雪荷载下应力分析

【摘要】： 2008年1月,我国南方9省区经历了一场冰雪灾害,冰雪灾害不仅极大影响木材生产,同时对森林生态系统的稳定性也造成很大影响。马尾松(Pinus massonianalamb.)是我国亚热带地区特有的乡土树种,它广泛用于建筑、坑木、枕木、桥梁等,又是我国主要产松脂树种。本文通过对马尾松的力学性质和在冰雪灾害下的应力研究,以便为灾后的森林经营管理和调控提供坚实的理论依据。 本文以浙江富阳亚热带林业研究所林场20±2年的马尾松为研究对象,通过试验,数值计算和理论分析的方法对马尾松在冰雪荷载下的应力进行了研究探讨,本文主要研究工作如下: 1.马尾松三维力学结构模型。有很多学者致力于树木分形分析并模拟。但分形研究都是针对植物生长机理的生长模型和单纯考虑植物外观的形态模型的研究,没有与树木结构力学的研究相联系并得出植物模型的三维坐标。本项研究试图通过分形理论为研究树木的力学性质提供空间结构模型,因而分形研究的结果是要构建出有三维坐标的树木力学结构模型,为下一步进行力学性质分析打下基础。 2.马尾松活立木的弹性常数。木材为正交各项异性体,描述其弹性行为的弹性常数有:弹性模量E、剪切模量G和泊松比μ。要深入研究木材的力学特性,就必须测定这些常数。本文用电测法测定了马尾松的12个弹性常数。从数据结果看,弹性常数间存在着一定的联系,满足马克斯韦尔定律。与已测得的马尾松木材弹性常数相比较,验证含水率与弹性常数之间的关系式:木材的弹性模量和剪切模量均会随着含水率的增大而减小,泊松比μ_(RT)、μ_(TR)、μ_(LT)随含水率的增大而增大,但μ_(LR)反而减小。故马尾松活立木弹性常数的测量是准确可靠的,证明电测法这一测试手段是可行的。 3.马尾松有限元分析。本文建立了马尾松整棵有限元模型,并用ANSYS软件进行了数值模拟。在三维力学结构模型的基础上提出了三种分枝结构模型:单向偏心分枝模型、双向偏心分枝模型、对称的单向偏心分枝模型。分析这三种模型的应力、应变,位移图得到马尾松在冰雪灾害下的优化结构模型:在树木的树干和分枝的直径比较接近的上部,有对称分枝的单向偏心分枝模型的受力最合理,双向偏心分枝模型的受力最不合理。在树木的树干和分枝的直径尺寸相差较大的下部,破坏通常只发生在树干与分枝的节点处。