(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211054067.4 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 湖北工业大 学 地址 430068 湖北省武汉市洪山区南李路 28号 (72)发明人 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　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 李炜 (51)Int.Cl. G01N 3/40(2006.01) G01N 3/08(2006.01)G01N 3/02(2006.01) G01N 1/28(2006.01) G01N 1/36(2006.01) G06T 17/05(2011.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明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。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 115452632 A 2022.12.09 CN 115452632 A 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2 40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 ‑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：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115452632 A 2(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SE M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<8m m， 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抗拉 强度。 7.根据权利要求6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)中， 计算根部抗拉强度的公式如下： 其中， Fmax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)。 8.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(5)包 括以下子步骤： (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( σmicro)和杨氏模量(Emicro)； (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， 得到根系接触模型 的微观 参数， 建立离 散元模型； (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； (5.4)根据导入的根系三维模型的轮廓， 通过颗粒填充的方法， 在三维模型轮廓内填充 颗粒， 颗粒的粒径为根系直径的1/10， 颗粒之间不存在重叠； 为了表征根系的微观结构特 征， 颗粒的排列 与三维模型的微观结构一 致； (5.5)用平行黏结模型定义颗粒间的键， 模型根系中颗粒和键的数量决定了模型根系 的微观结构， 进 而影响模型根系在载荷作用下的裂纹扩展； 模型的微观性质在Yade中， 颗粒和键是由其微观参数定义的； 颗粒的微观参数包括法 向和剪切刚度kn和ks， 颗粒摩擦系数 μ； 键的微观参 数包括法向刚度 剪切刚度 键半径 乘子 λ、 抗拉强度σmicro、 为粘聚力、 为摩擦角； (5.6)确定适合模拟植物根系拉伸行为的DEM输入微观参数： 颗粒接触模量(GPa)EC； 宏 观颗粒刚度比kn/ks； 颗粒摩擦系数μ； 平行黏结半径乘子λ； 平行黏结模量(GPa) 宏观平 行黏结刚度比 平行黏结抗拉强度(MPa)σmicro； (5.7)使用纳米压痕试验测得的弹性模量和强度对模型进行标定， 假定 施加荷 载在单根韧皮部和木质部， 得到 其中EC1为韧皮部的弹性模量， 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115452632 A 3