一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法技术

本发明专利技术涉及一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法，包括物理试验部分与理论计算部分。所述的物理试验部分是通过高速摄像机拍摄气流作用下植株茎叶动态弯曲过程变形图，进而标定不同风速下的弯曲变形量；所述的理论计算部分是根据材料力学原理，推导茎叶受力弯曲转角和挠度计算公式，编写茎叶受力弯曲计算程序，通过迭代计算的方法模拟气流作用下茎叶动态弯曲过程，提取茎叶弯曲变形量。本发明专利技术通过试验与理论计算相结合的方法能够实现对植株茎叶弯曲变形量的标定，确定茎叶变形参数，提高数据的准确性。

A Method for Calculating Dynamic Curvature of Plant Stems and Leaves under Air Flow

The invention relates to a method for calculating the dynamic bending of plant stems and leaves under the action of airflow, which includes the physical experiment part and the theoretical calculation part. The physical experiment part is to calibrate the bending deformation of plant stems and leaves under different wind speeds by taking the deformation map of dynamic bending process under the action of airflow with high-speed camera. The theoretical calculation part is to deduce the calculation formula of bending angle and deflection of stems and leaves under stress based on the principle of material mechanics, to compile the calculation program of bending force of stems and leaves, and to simulate air by the method of iteration calculation. The dynamic bending process of stem and leaf under the action of flow was used to extract the bending deformation of stem and leaf. The method of combining experiment with theoretical calculation can realize the calibration of the bending deformation of plant stem and leaf, determine the deformation parameters of stem and leaf, and improve the accuracy of data.

【技术实现步骤摘要】
一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法
本专利技术属于植保
，涉及一种茎叶弯曲变形计算方法，实现辅助气流作用下植株茎叶弯曲变形量的计算。技术背景茎叶弯曲变形是指植株茎叶在辅助气流外部载荷的作用下，其轴线由原来的直线变成了曲线，导致茎叶自由端位移产生变化，发生弯曲变形。经对现有技术的文献检索发现，现阶段对于气流作用下茎叶弯曲变形的测量只局限于试验方法，通过试验方法进行数据提取误差较大，没有相对应的校核，不利于后续研究的科学性；同时测量工作量大，不能很好地确定茎叶变形参数。综上所述，根据茎叶动态弯曲变形测量的要求，需要专利技术一种试验与理论计算相结合的方法用于获取茎叶动态弯曲变形数据。
技术实现思路
本专利技术针对现有茎叶弯曲变形测量方法存在的不足，提出一种试验与理论计算相结合的方法，较好的解决了数据误差较大的问题，提高了研究的科学性。本专利技术的一种辅助气流下植株茎叶动态弯曲变形计算方法包括试验部分与理论计算部分组成。所述的试验部分是通过物理试验的方法对作物茎叶进行弯曲变形的测量；所述的理论计算部分是根据材料力学理论，编制计算程序进行迭代分析计算，用于跟物理试验进行对比，修正计算方法。本专利技术采用的具体技术方案如下：一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法，主要包括以下步骤：(1)风载作用下植株茎叶动态弯曲试验：将植株放置在风机出风口下方50cm处，所述的风机用以产生气流；主茎叶前方放置标尺，所述的标尺用以进行茎叶弯曲变形量的标定；利用高速摄像机拍摄风载作用下的植株茎叶动态弯曲情况并上传至计算机，所述的计算机用以提取茎叶动态弯曲变形图；将计算机截取的茎叶动态弯曲变形图上传至CAD软件，所述的CAD软件用以进行茎叶动态弯曲变形量的标定，以静止状态下茎叶的尺寸标定作为基准线，依次标定不同风速下茎叶变形量，通过标尺读数得到茎叶最终变形量。(2)茎叶弯曲数学模型分析：1)单茎秆受力弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下茎秆受到的力简化成为集中力作用的结果，在集中力F1作用下茎秆发生弯曲变形，在其发生弯曲变形的过程中产生了线位移和角位移。在材料力学范畴里面，我们称其受外力作用下发生弯曲变形的线位移为其挠度，记作h；角位移为其转角，记作β。经过推导受力过程，可以求得茎秆变形转角和挠度分别为：式中：F—茎秆受到的集中力，KN；L—茎秆的有效长度，mm；I—对中心轴的惯性矩，mm4；E—弹性模量，MPa。2)叶片受力变形弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下叶片受到的力简化成为均布载荷作用的结果，经过推导受力过程，可以求得叶片变形转角和挠度分别为：式中：q—叶片受到的均布载荷，KN；L—叶片的有效长度，mm；I—对中心轴的惯性矩，mm4；E—弹性模量，MPa。(3)迭代计算。编写茎叶受力弯曲程序过程如下：1)利用步骤(2)推导出来的挠度公式解析出茎叶弯曲变形量h1，由于风速作用下茎叶受到的载荷力随着迎风面积的大小随之变换，所以当受到第一次力F1时，受力面积S1最大，此时产生的变形量h1为最大变形量，当茎叶发生弯曲，此时通过已知茎叶弯曲转角β1推导计算出此时茎叶迎风受力面积S2，受力面积减小，此时风速作用在迎风受力面积S2上的力也随之减小，通过受力F1之后的迎风面积S2与风速可以推导出此时茎叶所受的力F2。2)力F2作用下使茎叶发生弯曲变形，带入步骤(2)推导出来的挠度公式解析出茎叶弯曲变形量h2，此时由于挠度与转角发生变化，按照上述原理，通过受力F2之后变化的迎风面积S3与风速可以推导出此时茎叶所受的力F3。3)循环上述1)、2)两步骤，直至茎秆受力变形量不再与上次变形量产生差别，此时为受力稳定状态，循环结束。(4)对比试验变形量与理论计算迭代结果，引入模型修正因子，优化理论计算模型，得到准确变形量。与现在技术相比，本专利技术所具有的有益效果：1、本专利技术采用试验与理论计算相结合的方法，通过试验的方法对植株茎叶进行物理试验，采集实时数据；通过理论计算的方法进行数值分析，迭代得出植株茎叶在不同风速下的动态变形量，进行试验与理论计算的对比；2、通过理论计算与试验的结合，能够校核试验过程中数据的准确性，提高了试验数据的科学性，能够对植株受风载荷之后的变形量做出准确测量。附图说明图1为一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法流程图图2为一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法茎秆模型示意图图3为一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法茎秆模型受力弯曲示意图图4为一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法叶片模型示意图图5为一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法叶片模型受力弯曲示意图具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行进一步描述，本具体实施方式实例仅为示例性，不是为了限制本专利技术的范围及其应用。本专利技术提供一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法，包括以下步骤：(1)风载作用下植株茎叶动态弯曲试验：将植株放置在风机出风口下方50cm处，所述的风机用以产生气流；主茎叶前方放置标尺，所述的标尺用以进行茎叶弯曲变形量的标定；利用高速摄像机拍摄风载作用下的植株茎叶动态弯曲情况并上传至计算机，所述的计算机用以提取茎叶动态弯曲变形图；将计算机截取的茎叶动态弯曲变形图上传至CAD软件，所述的CAD软件用以进行茎叶动态弯曲变形量的标定，以静止状态下茎叶的尺寸标定作为基准线，依次标定不同风速下茎叶变形量，通过标尺读数得到茎叶最终变形量。(2)茎叶弯曲数学模型分析：1)单茎秆受力弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下茎秆受到的力简化成集中力作用的结果(图2)。如图3所示，在集中力F1作用下茎秆发生弯曲变形，在其发生弯曲变形的过程中产生了线位移和角位移。在材料力学范畴里面，我们称其受外力作用下发生弯曲变形的线位移为其挠度，记作h；角位移为其转角，记作β。经过推导受力过程，可以求得茎秆变形转角和挠度分别为：式中：F—茎秆受到的集中力，KN；L—茎秆的有效长度，mm；I—对中心轴的惯性矩，mm4；E—弹性模量，MPa。2)叶片受力变形弯曲模型与力学分析：如图4所示为叶片模型示意图，根据材料力学原理，可以把风载荷作用下叶片受到的力简化成为均布载荷作用的结果(图5)，经过推导受力过程，可以求得叶片变形转角和挠度分别为：式中：q—叶片受到的均布载荷，KN；L—叶片的有效长度，mm；I—对中心轴的惯性矩，mm4；E—弹性模量，MPa。(3)迭代计算。编写茎叶受力弯曲程序过程如下。1)利用步骤(2)推导出来的挠度公式解析出茎叶弯曲变形量h1，由于风速作用下茎叶受到的载荷力随着迎风面积的大小随之变换，所以当受到第一次力F1时，受力面积S1最大，此时产生的变形量h1为最大变形量，当茎叶发生弯曲，此时通过已知茎叶弯曲转角β1推导计算出此时茎叶迎风受力面积S2，受力面积减小，此时风速作用在迎风受力面积S2上的力也随之减小，通过受力F1之后的迎风面积S2与风速可以推导出此时茎叶所受的力F2。2)力F2作用下使茎叶发生弯曲变形，带入步骤(2)推导出来的挠度公式解析出茎叶弯曲变形量h2，此时由于挠度与转角发生变化，按照上述原理，通过受力F2之后变化的迎风面积S3与风速可以推导出此时茎叶所受的力F3。3)循环上述步骤，直至茎秆受力变形量不再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)风载作用下植株茎叶动态弯曲试验：将植株放置在风机出风口下方50cm处，主茎叶前方放置标尺，所述的标尺用以进行茎叶弯曲变形量的标定；利用高速摄像机拍摄风载作用下的植株茎叶动态弯曲情况并上传至计算机，利用计算机截取的茎叶动态弯曲变形图并上传至CAD软件，在CAD软件里面以静止状态下茎叶的尺寸标定作为基准线，依次标定不同风速下茎叶变形量，通过标尺读数得到茎叶最终变形量；(2)茎叶弯曲数学模型分析：1)单茎秆受力弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下茎秆受到的力简化成为集中力作用的结果，在集中力F1作用下茎秆发生弯曲变形，在其发生弯曲变形的过程中产生了线位移和角位移，在材料力学范畴里面，我们称其受外力作用下发生弯曲变形的线位移为其挠度，记作h；角位移为其转角，记作β，经过推导受力过程，可以求得茎秆变形转角

【技术特征摘要】
1.一种气流作用下植株茎叶动态弯曲计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)风载作用下植株茎叶动态弯曲试验：将植株放置在风机出风口下方50cm处，主茎叶前方放置标尺，所述的标尺用以进行茎叶弯曲变形量的标定；利用高速摄像机拍摄风载作用下的植株茎叶动态弯曲情况并上传至计算机，利用计算机截取的茎叶动态弯曲变形图并上传至CAD软件，在CAD软件里面以静止状态下茎叶的尺寸标定作为基准线，依次标定不同风速下茎叶变形量，通过标尺读数得到茎叶最终变形量；(2)茎叶弯曲数学模型分析：1)单茎秆受力弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下茎秆受到的力简化成为集中力作用的结果，在集中力F1作用下茎秆发生弯曲变形，在其发生弯曲变形的过程中产生了线位移和角位移，在材料力学范畴里面，我们称其受外力作用下发生弯曲变形的线位移为其挠度，记作h；角位移为其转角，记作β，经过推导受力过程，可以求得茎秆变形转角和挠度2)叶片受力变形弯曲模型与力学分析：根据材料力学原理，可以把风载荷作用下叶片受到的力简化成为均布载...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪美，武民庆，刘兴华，宋来其，李扬，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37