一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法技术

本发明专利技术公开一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法，包括以下步骤：(1)试验根系的选择和备样；(2)微观力学性能测试；(3)根系内部图像采集：获取根系切片的SEM图，然后利用Inspect 3D软件进行匹配对中，再将根系微观结构图片进行叠加，对所有分层的三维重构，获得三维结构模型生成stl格式保存为文件；(4)根系微观结构的单根抗拉试验；(5)根系微观结构的离散元模型建立；(6)通过实测结果对离散元参数进行标定和修正。本发明专利技术提供的方法大幅提高建模精度，并通过参数修正获得更高质的，更接近真实的模型，为研究根系抗拉强度这一具有表征性的重要指标提供了方向，对于根系结构内部微观力学性能研究以及固土护坡的深远意义。固土护坡的深远意义。固土护坡的深远意义。

【技术实现步骤摘要】
一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法


[0001]本专利技术属于生态边坡修复领域和建立根系结构离散元数值模拟
，涉及一种利用离散元方法模拟单根拉伸试验方法，尤其涉及一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球范围内的经济快速发展与城市化进程的不断加深，经济高速发展的同时也产生了巨大的生态环境污染，“温室效应”“臭氧层破坏”等问题严重威胁着人类的生存和发展，环境可持续发展成为国际社会迫切想要解决的重点。我国正处在经济建设迅速发展时期，工程建设涉及自然边坡日益增多，同时产生了大量的人工边坡，这些大量土石裸露的边坡，破坏了原有植被，造成水土流失，对生态环境产生不可逆转的危害。
[0003]目前，随着我国生态环保理念的逐步加强，人们更加倾向于环境友好型的边坡防护模式。生态护坡具备工程防护和环境保护效应的优点，比以往采用的工程防护，如锚喷支护，可以避免原有植被破坏，水土流失引起的边坡失稳问题。但是生态边坡技术形式繁多，功能复杂，材料迥异，同时对生态护坡的作用机理和生态效益缺乏深入研究，例如，特别是含根土的力学特性的确定一直是一个难题。现在的单根抗拉强度试验主要是以试验为主，对单根内部结构的考虑较少，因此不能揭示单根抗拉强度的微观机理。因此，亟需提出一种根系结构研究和模型建立的方法。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法，用于研究根系内部结构对抗拉强度试验的影响。
[0005]本专利技术提供的方法利用植物根系进行拉伸试验得到试验参数对DEM建模参数进行标定，得到一种基于真实根系内部微观结构的拉伸性能数据离散元模拟方法，此方法能更高效高质研究根系抗拉强度这一具有表征性的重要指标，对于根系结构内部微观力学性能研究以及固土护坡的深远意义。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法，包括以下步骤：
[0008](1)试验根系的选择和备样：选择完整的植株，将根裁剪，进行根系直径统计并编号；
[0009](2)微观力学性能测试：采用纳米压痕试验测试根系内部微观结构参数以及微观力学性能；
[0010](3)根系内部图像采集：获取根系切片的SEM图，然后利用Inspect 3D软件进行匹配对中，再将根系微观结构图片进行叠加，对所有分层的三维重构，获得三维结构模型生成
stl格式保存为文件；
[0011](4)根系微观结构的单根抗拉试验：利用万能拉压试验测定根部抗拉强度；
[0012](5)根系微观结构的离散元模型建立：采用离散元模拟软件Yade，基于根系微观结构导入三维结构stl格式文件，通过构建模型根系，模型根系的张力加载，监测模型根系的拉伸性能和标定植物根系的模型参数以建立模型；
[0013](6)通过实测结果对离散元参数进行标定和修正。
[0014]进一步，所述步骤(1)包括以下子步骤：
[0015](1.1)选择在同一区域下正常生长的一种植物，采用干挖法进行人工挖掘以避免机械对根系造成损伤，挖取几株完整典型植株；
[0016](1.2)并将根系上附着的土壤用刷子清理干净，把植株的根裁剪下来，做根系直径统计并编号。
[0017]进一步，所述步骤(2)包括以下子步骤：
[0018](2.1)将选好的根剪成1cm长的小段，放入无盖长方形的金相切片软胶模具中，将调配好的环氧树脂加入到模具中至完全浸没样品；
[0019](2.2)把模具放入真空干燥内，设置60℃箱加热10小时等待固化，干燥固化后放入冷藏箱中于5℃进行48小时冷藏冻干；
[0020](2.3)将制备好的样品用金刚刀沿横向切成厚度为3mm的薄片，然后把横切面及其他未削切的样品表面进行打磨，第一遍使用粒度为240碳化砂纸磨光，随后用油基金刚石悬浮液(3μm)进行抛光，在微米绒布抛光布上进行研磨，最终将待测面抛光平整。打磨后的样品经超声洗涤，去除表面杂质，放入一个干净有盖的样品盒备用；
[0021](2.4)使用纳米压痕静态法，将试块样品放在压痕机器的载物台上，调整样品表面与压杆压头施加荷载方向垂直，将具有特定形状的金刚石压头压入植物细胞壁表面，分别在韧皮部、木质部测量加载卸载过程中作用在压头上的荷载和样品压痕深度，纳米压痕实验机记录下数据绘制压力
‑
位移曲线，由压力
‑
位移曲线可获得根部横切面细胞不同部位力学性质如杨氏模量和硬度等；
[0022](2.5)进行纳米压痕试验后，整理实验数据得到根系内部不同层的力学特性微观参数。
[0023]更进一步，所述步骤(2.5)中，力学特性微观参数包括弹性模量和硬度。
[0024]进一步，所述步骤(3)包括以下子步骤：
[0025](3.1)利用电镜观察根横切永久制片内部微观结构，采集上百张衬度好且分辨率高的二维原始数据，获取根系横截面SEM图片；
[0026](3.2)利用Inspect 3D软件进行匹配对中，将上百张根系微观结构图片进行叠加进行所有分层的三维重构，获得三维结构stl格式文件。
[0027]进一步，所述步骤(4)包括以下子步骤：
[0028](4.1)选定每个植物直径不同的无损伤根系，D<8mm，并选择最小根长0.10m；
[0029](4.2)根系抗拉强度试验利用万能拉压试验进行测定，测试过程中保证不破坏根系结构，根据测试获得的拉伸前断裂根所需的最大力和断裂点附近的平均根直径计算根部抗拉强度。
[0030]更进一步，所述步骤(4)中，计算根部抗拉强度的公式如下：
[0031][0032]其中，F
max
为拉伸前断裂根所需的最大力(N)，D为拉伸前断裂点附近的平均根直径(mm)。
[0033]更进一步，所述步骤(4)中，保证测试过程中不破坏根系结构的方法如下：采用在夹具两端黏贴胶皮、缠绕和添加柔性物质等方法用来增大根系与夹具间的摩擦。这样可以对直径D<8mm的根系进行测试，几乎所有供试植物的测试成功率都在50％以上。
[0034]进一步，所述步骤(5)包括以下子步骤：
[0035](5.1)根据实际仿真情况确定接触模型，模型根系采用球状颗粒和连接颗粒的键粘结在一起构建，模型输出为根系的抗拉强度(σ
micro
)和杨氏模量(E
micro
)；
[0036](5.2)由拉伸试验测定的植物根系的抗拉强度和杨氏模量，通过模型理论分析确定参数的理论公式，利用植物单根的拉伸试验数据对参数进行标定，基于计算的参数进行粘结，建立离散元模型；
[0037](5.3)利用Yade仿真模拟软件导入真实根系三维结构stl格式文件；
[0038](5.4)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够表征植物根系内部微观结构的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)试验根系的选择和备样：选择完整的植株，将根裁剪，进行根系直径统计并编号；(2)微观力学性能测试：采用纳米压痕试验测试根系内部微观结构参数以及微观力学性能；(3)根系内部图像采集：获取根系切片的SEM图，然后利用Inspect 3D软件进行匹配对中，再将根系微观结构图片进行叠加，对所有分层图像进行三维重构，获得三维结构模型生成stl格式保存为文件；(4)根系微观结构的单根抗拉试验：利用万能试验机测定根部抗拉强度；(5)根系微观结构的离散元模型建立：采用离散元模拟软件Yade，基于根系微观结构导入三维结构stl格式文件，通过构建模型根系，模型根系的张力加载，监测模型根系的拉伸性能和标定植物根系的模型参数以建立模型；(6)通过实测结果对离散元参数进行标定和修正。2.根据权利要求1所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下子步骤：(1.1)选择在同一区域下正常生长的一种植物，采用干挖法进行人工挖掘以避免机械对根系造成损伤，挖取几株典型植株；(1.2)并将根系上附着的土壤用刷子清理干净，把植株的根裁剪下来，做根系直径统计并编号。3.根据权利要求1所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)将选好的根剪成1cm长的小段，放入无盖长方形的金相切片软胶模具中，将调配好的环氧树脂加入到模具中至完全浸没样品；(2.2)把模具放入真空干燥内，设置60℃箱加热10小时等待固化，干燥固化后放入冷藏箱中于5℃进行48小时冷藏冻干；(2.3)将制备好的样品用金刚刀沿横向切成厚度为3mm的薄片，然后把横切面及其他未削切的样品表面进行打磨，第一遍使用粒度为240碳化砂纸磨光，随后用油基金刚石悬浮液进行抛光，在微米绒布抛光布上进行研磨，最终将待测面抛光平整；打磨后的样品经超声洗涤，去除表面杂质，放入一个干净有盖的样品盒备用；(2.4)使用纳米压痕静态法，将试块样品放在压痕机器的载物台上，调整样品表面与压杆压头施加荷载方向垂直，将具有特定形状的金刚石压头压入植物细胞壁表面，分别在韧皮部、木质部测量加载卸载过程中作用在压头上的荷载和样品压痕深度，纳米压痕实验机记录下数据绘制压力
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位移曲线，由压力
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位移曲线可获得根部横切面细胞不同部位力学性质包括杨氏模量和硬度；(2.5)进行纳米压痕试验后，整理实验数据得到根系内部不同层的力学特性微观参数。4.根据权利要求3所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，力学特性微观参数包括弹性模量和硬度。5.根据权利要求1所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所步骤(3)包括以下子步骤：
(3.1)利用电镜观察根横切永久制片内部微观结构，采集上百张衬度好且分辨率高的二维原始数据，获取根系横截面SEM图片；(3.2)利用Inspect 3D软件进行匹配对中，将上百张根系微观结构图片进行叠加进行所有分层的三维重构，获得三维结构模型生成stl格式保存为文件。6.根据权利要求1所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下子步骤：(4.1)选定每个植物直径不同的无损伤根系，D<8mm，并选择最小根长0.10m；(4.2)根系抗拉强度试验利用万能拉压试验进行测定，测试过程中保证不破坏根系结构，根据测试获得的拉伸前断裂根所需的最大力和断裂点附近的平均根直径计算根部...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一鸣，窦慧茹，肖衡林，马强，陶高梁，万娟，白玉霞，黄少平，周鑫隆，高翔，杨柳，田钰涵，蔡凡，刘力，虞海兵，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：