仿生懸臂梁彎曲的有限元?jiǎng)討B(tài)模擬與分析本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

1、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 仿生懸臂梁彎曲的有限元?jiǎng)討B(tài)模擬與分析 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08級(jí)3班 學(xué)生姓名 馬強(qiáng) 指導(dǎo)教師 袁志華 撰寫日期：2012年 5 月 4 日摘 要植物結(jié)構(gòu)仿生通過研究自然界植物系統(tǒng)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和功能特征，并有選擇性的在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)原理和特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)師在師法自然的仿生設(shè)計(jì)哲學(xué)指導(dǎo)下，在設(shè)計(jì)中引入植物結(jié)構(gòu)仿生學(xué)概念。一根細(xì)長(zhǎng)的麥稈能支持比之重幾倍的麥穗，其奧秘在于莖稈優(yōu)越的結(jié)構(gòu)。論文從小麥莖稈的結(jié)構(gòu)入手，建立仿生模型特殊的內(nèi)外壁中分布維管束結(jié)構(gòu)，并設(shè)置某一變量，如：彈性模量、壁厚、外徑、維管束個(gè)數(shù)、維管

2、束面積等，研究其對(duì)最大應(yīng)力和變形的影響特點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:仿生；植物；結(jié)構(gòu)；有限元法；ansys 結(jié)構(gòu)分析目 錄1引言12仿生設(shè)計(jì)22.1仿生設(shè)計(jì)概念22.2仿生設(shè)計(jì)意義22.2仿生設(shè)計(jì)的歷史和發(fā)展22.3仿生設(shè)計(jì)的未來33有限元法33.1有限元法的定義33.2有限元法的原理43.3有限元法的步驟43.3.1剖分43.3.1單元分析43.3.1求解近似變分方程53.4有限元法的特點(diǎn)53.4.1物理概念清新53.4.2復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性53.4.3各種物理問題的適用性53.4.4適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性53.5有限元法的發(fā)展與現(xiàn)狀63.6有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用64 an

3、sys建模及求解64.1 ansys簡(jiǎn)介64.2三維模型的建立74.3 材料參數(shù)和單元類型84.4求解步驟94.4.1定義工作文件名和工作標(biāo)題94.4.2導(dǎo)入模型94.4.3.定義單元類型104.4.5. 劃分網(wǎng)格04.4.6.04.4.7.04.4.8.查看求解結(jié)果05結(jié)果分析05.105.205.305.405.5結(jié)論與討論06 結(jié)束語(yǔ)0參考文獻(xiàn)0致謝0111引言經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化，生物結(jié)構(gòu)具有了優(yōu)良的性能和巧妙的外形，它為我們提供了創(chuàng)新的原型、解決工程問題和改進(jìn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性方法。仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過程中新的

4、亮點(diǎn)。有限元法理論已經(jīng)相當(dāng)完善，應(yīng)用也越來越廣泛?？萍既藛T將有限元理論、數(shù)值計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等相結(jié)合，有了非常大的發(fā)展，開發(fā)出了一批通用的有限元軟件。目前，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件已達(dá)幾百種，其中最著名的有ansys、sap、marc和cosmos等。這些軟件功能強(qiáng)大，使用方便，結(jié)果可靠，解決了涉及機(jī)械、土木、冶金、氣象、宇航等行業(yè)的工程問題，其計(jì)算結(jié)果已經(jīng)成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的重要依據(jù)。小麥莖稈的結(jié)構(gòu)是自然界中存在的比較典型的輕量化結(jié)構(gòu),在分析小麥莖稈優(yōu)良的力學(xué)性能和其微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上,提取決定小麥莖稈優(yōu)良力學(xué)性能的特征結(jié)構(gòu),將小麥莖稈微觀結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)

5、應(yīng)用到實(shí)際的柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。小麥莖稈強(qiáng)度高、彈性好、能穩(wěn)定, 而且密度小 ，這是常規(guī)結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的。結(jié)構(gòu)決定力學(xué)性能,要想認(rèn)識(shí)小麥莖稈這些優(yōu)良的力學(xué)性能,就很有必要對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從小麥莖稈壁內(nèi)可以分辨出多種不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞,但是從力學(xué)角度來考慮,這些細(xì)胞可以分為兩大類:第一類是基本組織細(xì)胞,他們?cè)陲@微鏡下呈圓形薄壁結(jié)構(gòu),起著傳遞載荷的作用;第二類是以維管束為主體的厚壁細(xì)胞,這類細(xì)胞被基本組織細(xì)胞包圍著,起著承載的作用,小麥莖桿可簡(jiǎn)化為分內(nèi)外壁的薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其截面均布空心管模擬維管束。節(jié)用實(shí)心圓柱模擬，建立小麥莖稈的三節(jié)結(jié)構(gòu)模型。小麥莖稈結(jié)構(gòu)實(shí)例中得出的數(shù)值表明，結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化能獲得

6、更好的承載效率。利用工具軟件ansys的強(qiáng)大功能對(duì)在外部集中力載荷作用下，小麥莖稈結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力進(jìn)行了研究;得出小麥莖稈結(jié)構(gòu)在不同類型荷載下的穩(wěn)定性以及沖量對(duì)穩(wěn)定性的影響。2仿生設(shè)計(jì)2.1仿生設(shè)計(jì)概念“仿生設(shè)計(jì)”作為一種研究方法，在各個(gè)領(lǐng)域都為科學(xué)家們所重視和利用2，如早期飛機(jī)的結(jié)構(gòu)就是對(duì)鳥類和昆蟲的模仿，紅外線探測(cè)器的研究是受到了響尾蛇的啟發(fā)，聲納的出現(xiàn)則是受到海豚的啟示。植物結(jié)構(gòu)仿生是以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究植物體不同結(jié)構(gòu)層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的形態(tài)和功能以獲得靈感，進(jìn)而對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，提高工程結(jié)構(gòu)效率。仿生是高科技的代名詞，它是指運(yùn)用尖端的科學(xué)技術(shù)，來模仿生物的各種官能

7、感覺和思維判功能，更加有效地為人數(shù)服務(wù)。植物仿生設(shè)計(jì)是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，通過研究自然界植物系統(tǒng)的優(yōu)異功能、形態(tài) 、結(jié)構(gòu) 色彩等特征，并有選擇性的在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這些原理和特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。植物結(jié)構(gòu)仿生是以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，它涉及生物學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制科學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)工程等工程科學(xué)，屬于跨學(xué)科研究領(lǐng)域。性能優(yōu)異的植物結(jié)構(gòu)為工業(yè)設(shè)計(jì)及其相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了極其豐富的范例，仿生工程受到了學(xué)術(shù)界和工程界越來越多的重視。2.2仿生設(shè)計(jì)意義仿生設(shè)計(jì)學(xué),亦可稱之為設(shè)計(jì)仿生學(xué),它是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科，仿生設(shè)計(jì)學(xué)與舊有的仿生學(xué)成果應(yīng)用不同

8、，它是以自然界萬(wàn)事萬(wàn)物為研究對(duì)象，有選擇地在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這些特征原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，為設(shè)計(jì)提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。在某種意義上，仿生設(shè)計(jì)學(xué)可以說是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。 2.2仿生設(shè)計(jì)的歷史和發(fā)展自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉4。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們?cè)诼L(zhǎng)的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對(duì)生物的模仿，并通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡(jiǎn)單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。 人類最初使用的工具木

9、棒和石斧，無疑是使用的天然木棒和天然石塊；魯班從野草的葉子和蝗蟲的齒得到了啟發(fā)，發(fā)明了鋒利的鋸子。近代，生物學(xué)、電子學(xué)、動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展亦促進(jìn)了仿生設(shè)計(jì)學(xué)的發(fā)展。自從1801年歐洲人發(fā)現(xiàn)王蓮以來，蓮葉的結(jié)構(gòu)與功能便一直成為建筑學(xué)家研究的課題，并試圖將其用于建筑設(shè)計(jì)。我們時(shí)常見到的大跨度宏偉樓房建筑工程，在房頂結(jié)構(gòu)上都還能或多或少地看出王蓮葉片結(jié)構(gòu)的輪廓。 目前，仿生設(shè)計(jì)學(xué)在對(duì)生物體幾何尺寸及其外形的模仿同時(shí)，還通過研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能等各種優(yōu)異特征，把它運(yùn)用到技術(shù)系統(tǒng)中，改善已有的工程設(shè)備，創(chuàng)造出新的工藝、自動(dòng)化裝置等技術(shù)系統(tǒng)；對(duì)生物體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的研究，有可能使未來的建筑、產(chǎn)品改變模樣。

10、使人們從“城市”這個(gè)人造物理環(huán)境中重新回歸“自然”。2.3仿生設(shè)計(jì)的未來仿生學(xué)自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。用化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、工藝學(xué)等對(duì)生物系統(tǒng)開展深入的研究，對(duì)推動(dòng)生命科學(xué)的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。在某種意義上，仿生設(shè)計(jì)學(xué)可以說是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。 仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過程中新的亮點(diǎn)。生命科學(xué)的發(fā)展又以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng)，加速了科學(xué)的發(fā)展，仿生學(xué)所取得的成就是多方面的。當(dāng)代科學(xué)家們已普遍認(rèn)識(shí)到生物學(xué)

11、與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)及工程技術(shù)學(xué)相結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生一場(chǎng)新的技術(shù)革命。隨著對(duì)宇宙的開發(fā)、認(rèn)識(shí)，又將使人類不但認(rèn)識(shí)宇宙中新形式的生命，而且將為人類提供嶄新的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出地球上前所未有的新的裝置。3有限元法3.1有限元法的定義有限元法是將連續(xù)體離散化為若干個(gè)有限大小的單元體的集合，以求解連續(xù)體力學(xué)問題的數(shù)值方法。它是一種高效能、常用的計(jì)算方法。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場(chǎng)。自從1969年以來，某些學(xué)者在流體力學(xué)中應(yīng)用加權(quán)余數(shù)法中的迦遼金法或最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應(yīng)用于以任何微分方程所描述的各類物理場(chǎng)中，而

12、不再要求這類物理場(chǎng)和泛函的極值問題有所聯(lián)系?；舅枷耄河山饨o定的泊松方程化為求解泛函的極值問題。3.2有限元法的原理首先，將表示結(jié)構(gòu)的連續(xù)體離散為若干個(gè)子域（單元），單元之間通過其邊界上的節(jié)點(diǎn)連接成組合體。其次，用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)分片的表示全求解域內(nèi)待求的未知場(chǎng)變量。每個(gè)單元內(nèi)近似函數(shù)用未知場(chǎng)變量函數(shù)在單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和與其對(duì)應(yīng)的差值函數(shù)表示。由于在連接相鄰單元的節(jié)點(diǎn)上，場(chǎng)變量函數(shù)應(yīng)具有相同的數(shù)值，因而將它們用作數(shù)值求解的基本未知量，將求解原函數(shù)的無窮多自由度問題轉(zhuǎn)化為求解場(chǎng)變量函數(shù)節(jié)點(diǎn)值的有限自由度問題。最后，通過和原問題數(shù)學(xué)模型（基本方程、邊界條件）等效的變分原理或加權(quán)余量法

13、，建立求解基本未知量（場(chǎng)變量函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值）的代數(shù)方程組或微分方程組，應(yīng)用數(shù)值方法求解，從而得到問題的解答。將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。 3.3有限元法的步驟3.3.1剖分將待解區(qū)域進(jìn)行分割，離散成有限個(gè)元素的集合。元素（單元）的形狀原則上是任意的。二維問題一般采用三角形單元或矩形單元，三維空間可采用四面體或多面體等。每個(gè)單元的頂點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)（或結(jié)點(diǎn)）。 3.3.1單元分析進(jìn)行分片插值，即將分割單元中任

14、意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開，即建立一個(gè)線性插值函數(shù) 3.3.1求解近似變分方程用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。每個(gè)單元的場(chǎng)函數(shù)是只包含有限個(gè)待定節(jié)點(diǎn)參量的簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù)，這些單元場(chǎng)函數(shù)的集合就能近似代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。有限元法已被用于求解線性和非線性問題，并建立了各種有限元模型，

15、如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。3.4有限元法的特點(diǎn)3.4.1物理概念清新可以在不同的理論層面建立有限元法的理解，既可以通過非常直觀的物理解釋來理解，也可以建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論分析。3.4.2復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性在固體力學(xué)及其他連續(xù)體力學(xué)中，只有一些特殊類型的位移場(chǎng)才能求得微分方程的解。對(duì)于多數(shù)復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)得不到解，而有限元法對(duì)于完成這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析是一種十分有效的方法。有限元法利用離散化將無限自由度的連續(xù)體力學(xué)問題變?yōu)橛邢迒卧?jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算，雖然它的解是近似的，但適當(dāng)?shù)倪x擇單元形狀和大小，可是近似解達(dá)到滿意的程度。3.4.3各種物理問題的適用性有限元法不僅能處理線性彈性力學(xué)、非均質(zhì)材料

16、、各向異性材料、非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、大變形、動(dòng)力學(xué)和屈曲問題等，還能解決熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)、電磁場(chǎng)等問題以及不同物理現(xiàn)象的耦合問題，應(yīng)用范圍極為廣泛。3.4.4適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性有限元法引入邊界條件的辦法簡(jiǎn)單，邊界條件不需要引進(jìn)單個(gè)有限元的方程，而是求得整個(gè)集合體的代數(shù)方程后再引進(jìn)，所以對(duì)內(nèi)部和邊界上的單元都采用相同的場(chǎng)變量函數(shù)，而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，場(chǎng)變量函數(shù)不需要改變，極大的簡(jiǎn)化了編制通用化程序。3.5有限元法的發(fā)展與現(xiàn)狀有限元法的基本思想早在20世紀(jì)40年代初就有人提出。到了50年代，由于工程上的需要，有限元法才在結(jié)構(gòu)分析矩陣方法的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。有限元法自

17、從20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用至今，它的應(yīng)用范圍已從桿、梁類結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到彈性力學(xué)平面問題、空間問題、板殼問題；有精靜力平衡問題擴(kuò)展到動(dòng)力問題、波動(dòng)問題和穩(wěn)定問題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到黏彈性、塑性、黏塑性及復(fù)合材料等；從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)各領(lǐng)域。有限元法理論已經(jīng)相當(dāng)完善，應(yīng)用越來越廣泛?？萍既藛T將有限元理論、數(shù)值計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等相結(jié)合，有了非常大的發(fā)展，開發(fā)出了一批通用的有限元軟件。目前，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件已達(dá)幾百種，其中最著名的有ansys、sap、marc和cosmos等。3.6有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用由于有限元法使用方便、計(jì)算精

18、度高，其起計(jì)算結(jié)果已成為機(jī)械零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)，極大地縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，減少了研制經(jīng)費(fèi)，降低了產(chǎn)品成本。（1）靜力學(xué)分析。分析機(jī)械結(jié)構(gòu)承受靜載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況。（2）模態(tài)分析。分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和陣型。（3）動(dòng)力學(xué)分析。包括諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，用于分析結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間呈正弦規(guī)律或任意規(guī)律變化的載荷作用下的響應(yīng)。（4）熱應(yīng)力分析。分析結(jié)構(gòu)因溫度分布不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。（5）其他分析。例如，接觸分析、壓桿穩(wěn)定性分析、結(jié)構(gòu)流體耦合分析等。4 ansys建模及求解4.1 ansys簡(jiǎn)介ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析

19、軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ansys開發(fā)。 它能與多數(shù)cad軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如pro/engineer, nastran, autocad等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)cae工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示

20、、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。4.2三維模型的建立本文主要模擬集中載荷作用下小麥結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力和變形特征，目的是通過模擬來認(rèn)識(shí)小麥材料這種功能梯度材料發(fā)生彎曲破壞時(shí)的一般規(guī)律，了解小麥結(jié)構(gòu)變形破壞與其荷載之間的和關(guān)系。根據(jù)小麥莖稈實(shí)際結(jié)構(gòu)模擬內(nèi)外壁厚、維管束、維管束面積等因素，用兩個(gè)同心薄壁圓筒模擬內(nèi)外壁，中間均布通孔模擬維管束，建立一個(gè)三維模型。模型的幾何尺寸如表4-1所示，三維模型如圖4-1。 表4-1 模型幾何尺寸外壁/mm內(nèi)壁/mm維管束/mm內(nèi)徑4.432.940.2外徑4.733.340.4 圖4-14.3材料參數(shù)和單元類型內(nèi)外層材料屬性和維管束的材料屬性都不同，所以需要設(shè)置三種材料屬性。材料屬性如表4-2。為了將各部分組合成一個(gè)整體，在節(jié)間內(nèi)外層和結(jié)接觸處采用了粘結(jié)單元。表4-2 材料屬性外壁內(nèi)壁維管束彈性模量/mpa560045002300泊松比0.320.320.32單元選擇時(shí)，首先需要考慮但愿是否能夠反映材料的組成結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)。其次，必須考慮單元應(yīng)力與變形協(xié)調(diào)條件，當(dāng)計(jì)算模型中使用不同屬性單元時(shí)，在單元交界面處容易發(fā)生不協(xié)調(diào)變形。因此，為保證協(xié)調(diào)變形，不同屬性的單元必須具有相同的自由度，而且他們必須連續(xù)的穿過界面處單元的邊界?；?/p>