小麦植株抗倒伏力学模型研究

小麦、水稻一类农作物的抗倒性能研究是稳产高产的保证，是通过增加株高来获得生物产量突破的重要前提之一。倒伏的发生与品种的抗倒型、种植的密度、施肥的方法和气候土壤等环境因素密切相关。本项目拟在建立茎壁微观组织结构与茎的宏观材料性质和抗弯刚度之间的联系，建立与变形相关的植株风、重载荷分布模型，和应用非均匀各项异性茎壁的局部屈曲行为探索植株的变形对茎秆抗倒能力的影响规律等三方面进行突破，并将上述结果综合应用，进而建立小麦整株抗倒力学模型，通过风洞试验校正模型，通过多品种试验验证模型，应用模型对小麦抗倒能力进行预测。这一预测结果可以对抗倒育种、种植密度优化和施肥、管理的合理化提供更为明确的指导，可以协助统计学方法更快更准确地确定影响倒伏的关键因素。

小麦植株具有良好的抗茎倒伏能力是保证我国夏粮产出稳定性的重要前提之一。茎秆的抗弯曲能力和株型以及与株型相关的风、重载荷形式是影响抗倒伏能力的重要因素。本项目在植株性状、茎秆组织结构、茎秆力学性质、组织结构与力学性质的关系、材料本构关系、风对茎秆和叶片施加的载荷形式、茎杆变形对风载的影响等方面进行了较为深入的研究。在上述7方面研究结果的基础上总结出小麦典型植株的几何、材料和风载模型，引用有限元法构造了模型的求解方法，得到了数字植株在风、重载荷下的变形。模型的模拟结果通过了风洞实验的验证。下面简述各向工作的要点。.1. 几何模型的建立. 先后对7个品种扬花、乳熟和蜡熟期的样品进行了外观几何尺寸和鲜质量测定，结合茎秆横切片显微观察，得到了节数、节长、外径、机械组织厚、薄壁组织厚、大维管束数、有效叶数、叶长、叶宽、叶鞘长、穗长、穗鲜质量和总鲜质量等参数。确定了小、大维管束在几何模型中的定位。.2. 材料模型的建立. 采用弯曲和拉伸实验方法研究了节间抗弯、抗拉刚度和极限弯矩。使用统计学方法了解了横截面几何、生理特征与力学性质的关系。将实验和统计结果与显微观察和有限元数值模拟相结合，发现了薄壁组织的细胞膨压对抗弯刚度的贡献和对于生物材料力学行为的影响，提出了的薄壁组织渗出损伤是削弱茎秆抗弯能力的一个关键因素，确定了对机械组织和薄壁组织分别采用横观同性弹塑性本构关系来描述材料行为的方法，对重复加载时茎秆的软化现象给出了基于生物物理学的理解。.3. 风载模型的建立. 在本项目的支持下构建了小型风洞。应用风洞实验测定了单叶、单节风载与茎秆弯曲变形转角的关系，总结出风载随转角作指数衰减的经验公式。应用风洞实验测定了7~15m/s风速下单叶、单节、部分植株和整株的风载，参考伯努利方程建立了茎秆风载与外径和风速的实验关系，叶片风载与叶长、叶宽、叶型和风速的实验关系，以及穗的风载与穗长、穗型和风速的实验关系。.4. 整株力学模型的建立. 将几何模型、各节机械组织和薄壁组织的材料模型、以及与变形相关的风载模型结合起来，应用Ansys的APDL命令集进行程序设计，采用非线性求解器计算模拟，提取结果中茎秆转角对风载模型进行修正，经迭代收敛后得到了模型的变形和最终风载。通过风洞试验校正，经过2品种验证，初步认为模拟结果可以对风、重载荷下的茎倒伏做出正确预测。