树木是地球表面自然资源的基本要素,它具有防沙、固土,绿化城市等多重作用。台风等极端恶劣天气容易造成树木枝条折断、树木倒伏甚至连根拔起等破坏现象,给森林生产经营、居民生活和财产造成极大影响。不同树种的抗风性能存在差异,杉木是我国南方地区(如福建、广西等)广泛种植的一种亚热带经济林树种,它具有广泛的用途如桥梁、建筑、家具等。本文选取杉木为研究对象,采用有限元数值计算方法,对杉木枝干系统的结构特性及风致动态响应的特征进行研究,总结分析杉木结构风振的规律特点。此外,在树木风振分析的基础上,对风致树叶发生凋落进行判断、识别及凋落过程的三维可视化模拟,以期为林业生产、树木修剪等提供参考。本文的研究工作主要包括三个方面:(1)基于简化的单株杉木建模;树木的几何建模是进行树木风振分析的基础。传统的树木建模方法侧重于真实感的表达,无法进行树木结构力学的分析。为此,本文采用三维实体建模的方法,并根据杉木的几何形态特征,将杉木枝干简化为变截面的圆锥体进行简化建模。同时,利用参数化建模的方法,以适应多种不同树木形态结构特征的快速、有效建模,并分别构建:1个完整的杉木模型,10种不同的冠层修剪方式(其中包括2种不同枝条长度,3种不同冠层位置,5种不同枝条分布的模型)。(2)杉木结构自振特性及风振响应分析;由于树木的结构振动特性相对比较复杂,本文力图基于构建的多组杉木模型,从多角度、多方面(冠层稀疏程度、枝条长度、冠层分布位置、冠层枝条分布)分析杉木振动的影响因素。实验结果表明:1)树叶对杉木振动的影响主要是由冠层树叶的粘滞阻尼系数决定,冠层叶分布密度越稠密,树叶对杉木的振动影响越大,杉木振动的频域分布范围越小;2)树木枝干的长径比是影响树木振动的重要结构参数之一;3)杉木的振动主要为有弯曲振动、扭转振动,其中主干部分以弯曲振动为主,辅以局部的扭转振动,枝条部分的弯曲和扭转振动兼有侧重;4)冠层位置的变化对于树木的自振特性具有显著的影响,树木的冠层分布形态越趋下分布,则树木的自振频域范围会相对越小;5)主干和枝条的几何形态(长度、半径、长径比)是影响树木局部振动变化的重要因素,而树木的冠层形态(高度、厚度、冠幅、稀疏程度)是导致树木整体振动特征发生变化的关键。(3)风致树叶运动及凋落的简化模拟;在风振分析的基础上,进一步分析树叶运动的特征,将树叶风致运动分为随枝条运动和落叶两部分,并分别对悬挂树叶和凋落树叶的运动模拟进行简化。此外,对于树叶的凋落,通过风激励作用引起的落叶进行快速判断、识别,当树叶发生下落时,采用路径合成的方法实现下落运动的快速模拟,并结合落叶的生理学特征及物候变化节律,从而实现落叶量随季节变化的动态模拟。