草本植物茎秆往往纤细却支撑着整个植株重量以保证植物正常的生理活动,其结构既需要一定的刚性以防止植株屈曲失稳,又需要一定的柔韧性以防止在外界极端荷载下的脆性断裂,这种刚柔并济的茎秆结构为工程中的柔性梁设计提供了重要的灵感来源。本文以常见的草本植物水稻为例,拟通过多尺度建模方法对水稻茎秆结构进行静、动力学分析,以获得不同尺度下的结构参数对水稻茎秆性能的影响。最后,将获得的禾本植物茎秆的结构-功能关系应用于的弯扭耦合梁的仿生设计,可显著提高弯扭耦合柔性梁的综合力学性能。本文的主要工作包括:(1)水稻茎秆的多尺度结构-功能关系及其实验验证基于多尺度建模方法对水稻茎秆三个方向的材料力学性能进行研究。采用混合率法则和Halpin-Tsai方程和层合板模型计算微观尺度下的细胞壁材料属性,采用基于图像的骨架化方法重建水稻中尺度下的多孔拓扑结构,建立水稻茎秆的多尺度力学模型。对不同尺度下的结构参数——主要有表皮机械层组织和维管束组织的体积含量、纤维细胞和薄壁细胞的细胞壁厚度、细胞壁中S2层的体积含量,S2层中的纤维角度、细胞壁成分的体积含量和力学性能——进行参数化分析和敏感度分析,得出不同尺度下的变量对茎秆的各向异性材料属性的影响程度。(2)水稻茎秆的梯度结构参数与材料参数对其抗倒伏能力的影响通过瑞利-里兹方法,采用双参数形状函数推导三段阶梯轴的轴向临界屈曲荷载公式。选取了轴向刚度梯度参数和长度梯度参数作为自变量,研究了不同参数下茎秆的材料利用率,采用三点弯曲试验测量灌浆后期的水稻茎秆的实际梯度参数值,并与理论推导公式比较。根据水稻茎秆实验测得的轴向刚度梯度参数和长度梯度参数建立了水稻茎秆的流固耦合简化模型。研究了在不同风速下,材料为近似刚体、各向同性柔性体和各向异性柔性体的水稻茎秆的动力学响应行为。研究不同风速下水稻的弯曲与扭转行为对水稻风载卸载的贡献。(3)加筋平板和矩形薄壁梁的扭转特性研究根据植物茎秆截面的材料结构分布特点,通过仿真和实验手段,研究了纵向加强筋对平板结构和矩形薄壁梁的扭转刚度削弱作用。仿真和实验结果表明,加强筋的存在改变了薄壁结构件在扭转时的应力传递路径,使结构产生局部应力集中,扩大了结构中的无效材料区域。此外,加强筋与外壁或平板之间的弱连接作用使扭转应力难以传递至加强筋内部材料,因此在相同材料情况下,加强筋的存在削弱了薄壁结构的扭转刚度。由此确认了植物茎秆维管束之间的弱连接结构是植物茎秆具有低扭转刚度的重要原因。(4)弯扭耦合薄壁梁的仿生结构设计水稻茎秆需要在保持一定弯曲刚度的情况下降低其扭转刚度,以便通过扭转偏转效应降低风载,这与弯扭耦合梁的工作状态极为相似。根据水稻等草本植物茎秆的维管束结构梯度分布特征及其对茎秆扭转刚度的削弱作用原理,设计出两种不同的加筋弯扭耦合薄壁梁,结合水稻茎秆轴向材料、结构的梯度分布,设计出一种具有梯度分布特征的弯扭耦合仿生梁,并以临界屈曲力最大、1000N横向荷载下最大应力最小为目标,对其进行多目标优化设计。通过对比优化后模型与原模型的力学性能参数差异,体现出水稻等草本植物茎秆结构的优越性及其在弯扭耦合薄壁梁结构仿生设计中的潜在应用。