植物根系力学参数仿真分析方法、装置及电子设备

本发明属于植物根系仿真，具体涉及一种植物根系力学参数仿真分析方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、植物根系隐藏在土壤中，不利于观测和取样。多数根系自外向内为皮层和维管柱。维管柱也是中柱，来源于初生分生组织的原形成层，皮层以内的中轴部分位于根的中央，由中柱鞘和维管组织构成的圆柱体。通过建立植物根系的三维数学模型系统，从数值模拟的角度研究了根系的建模方法对力学性能的影响，对指导农业科研和生成具有重要意义。

2、目前仿真领域中对于根系的建模分为有限元和离散元两方面。关于离散元主要是使用bond模型将颗粒进行连接建立根系模型。关于有限元主要是将根系简化成梁单元和采用均质的实体单元进行建模。有限元方法的基本思想是用许多规则形状的连续子域来近似代表整个求解域，这些子域称为“网格单元”。在这些单元顶点处，物理量都精确满足原控制方程，而在单元内部任一点处的物理量，则是依据单元点处的值使用插值法求得。故原控制方程的连续性、可导性要求都被弱化，这就是有限元“弱形式”的基本思想。通过使用有限元法将数学模型离散化，可以得到相应的数值模型；随后求解离散方程，并对结果进行分析。基于数学模型表示的物理定律构成了有限元分析软件的基础。上述两种均不能表现出根系的微观结构特征和力学特点，因此不能准确的模拟出植物根系的力学特征。

3、因此，亟需一种准确、有效的根系仿真模型方法用于指导农业科研和生产工具研发。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种植物根系力学参数仿真分析方法，预测植物根系在复杂受力情况下的破坏模式，能快捷高效的对植物根系进行可视化定量化的力学性能分析，为农业科研和生产工具研发提供了理论依据和技术支撑。

2、本发明的目通过如下技术方案实现：

3、一种植物根系力学参数仿真分析方法，所述根系包括皮层和位于皮层内部的维管柱，包括如下步骤：

4、s1、获取将实际条件下植物根系皮层和维管柱结构参数，分别建立皮层和维管柱有限元模型，并将其导入到abaqus中；

5、s2、对所述的有限元模型进行材料赋予；

6、所述的皮层使用弹塑性材料进行赋予；

7、所述的维管柱使用自定义材料进行赋予，具体如下：

8、建立维管柱本构模型，包括弹性模型、屈服准则和损伤模型；

9、所述的弹性模型如公式(1)所示，包括轴向拉伸和压缩的不同弹性模式；

10、σ＝dxε    (1)

11、式中：σ为应力矩阵，ε为总应变矩阵，dx为弹性阶段的刚度矩阵如公式(2)所示；

12、

13、式中：

14、d22＝e22(1-μ12μ21)rμ,d12＝e11j(μ21+μ21μ23)rμ,d23＝e22(μ23+μ12μ21)rμ,d44＝2gg12,d55＝2gg23,d66＝2gg13，d21＝d13＝d31＝d12，d33＝d22，d23＝d32，e11j为轴向方向的弹性模量，e22为径向(横向)方向的弹性模量，g12、g13、g23为维管柱三个平面剪切模量，μij为泊松比；e11j的计算公式如式(3)所示，

15、e11j＝(1-n)e11t+n*e11c   (3)

16、式中：e11t为轴向拉伸弹性模量，e11c为轴向压缩弹性模量，n为判断因子；轴向拉伸弹性模量e11t设定为直径相关的函数e11t＝agdb，a，b为通过轴向拉伸试验得到的弹性模量与直径的系数；

17、所述的屈服准则如下：

18、对于轴向拉伸使用公式(4)所示方程进行判断，判断当屈服函数f1t大于1时，维管柱进入损伤阶段；

19、

20、式中：e1t＝σ1t/e11t,e1c＝σ1c/e11c；σ1t为轴向抗拉强度，σ1c为轴向抗压强度。

21、对于轴向压缩采用如公式(5)所示方程进行判断，当屈服函数f1c小于-1时，维管柱即进入轴向压缩损伤阶段；

22、f1c＝σ1/σ1c   (5)

23、对于横向压缩的判断如公式(6)所示，当屈服函数f2大于1时，维管柱进入横向压缩损伤阶段，

24、

25、式中：τ23c为横向极限抗剪强度，σ2和σ3为横向方向的应力，σ2c为横向抗压强度；σ12，σ23，σ13为剪切应力；

26、所述的损伤模型如下：

27、除了轴向拉伸采用脆性断裂方式，其余采用基于能量的损伤演化方式，损伤因子d如公式(7)所示；

28、

29、式中：是破坏等效位移，为损伤初始等效位移，δeq为本构模型演化实时等效位移；

30、s3、获取实际条件下根系力学参数，输入至维管柱本构模型进行状态更新，并将更新过程编写材料子程序vumat，将编写的材料子程序嵌入到abaqus中进行维管柱材料的数值模拟，完成维管柱赋予材料；

31、s4.将皮层和维管柱力学有限元模型通过abaqus中的tie约束实现绑定完成根系有限元模型的建立；通过abaqus调用材料子程序vumat对植物根系力学试验过程进行有限元仿真，获得植物根系力学试验过程仿真结果。

32、作为本发明更优的技术方案，所述的步骤3具体如下：

33、根据建立的维管柱本构模型判断材料是否屈服，如果材料未达到屈服状态，则真实应力等于试弹性应力；如果材料处于屈服状态，则将材料应力点调整到屈服面上，保证每个增量步的一致性条件；再根据维管柱的应力应变状态判断材料是否产生损伤，如果产生损伤需要计算损伤因子，更新维管柱损伤后的状态，如果没有产生损伤，损伤因子为零，更新维管柱损伤后的状态，最后将维管柱状态更新的过程编写成材料子程序vumat。

34、作为本发明更优的技术方案：当维管柱本构模型开始进行状态更新时，增量步为0，首先判断单元轴向应变增量vεinc的状态，当vεinc≥0时，判断因子n＝0，否则n＝1；当运行增量步大于等于1时，判断单元轴向应变ε＝ε+vεinc的状态，当ε≥0时，判断因子n＝0，否则n＝1，实现对维管柱轴向拉伸和压缩弹性模量的判定。

35、作为本发明更优的技术方案，所述的步骤4具体如下：

36、通过abaqus中材料模块分别对力学性能测试过程中的根系有限元模型中的皮层和维管柱赋予材料属性，abaqus调用材料子程序vumat对根系有限元模型中的维管柱赋予材料属性，其本构模型选择维管柱本构模型，设置边界与约束条件，进而得到力学性能测试过程中的根系有限元分析模型，获得相应根系力学性能试验过程的仿真结果。

37、本发明还有一个目的是提供一种植物根系力学参数仿真分析装置，其特征在于，所述的装置包括：

38、构建模块，用于依据根系结构和力学参数，构建根系有限元分析模型；

39、仿真模块，用于将皮层和维管柱力学有限元模型通过abaqus中的tie约束实现绑定，建立根系有限元模型；通过abaqus调用材料子程序vumat对植物根系力学试验过程进行有限元仿真，获得植物根系力学试验过程仿真结果；所述的子程序vumat为维管柱本构模型进行状态更新过程进行编写后，再嵌入到abaqus中进行维管柱材料的数值模拟，用于完成维管柱赋予材料。

40、本发明还有一个目的是提供一种电子设备，包括处理器和用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现所述的植物根系力学参数仿真分析方法。

41、本发明还有一个目的是一种计算机可读存储介质，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行所述的植物根系力学参数仿真分析方法。

42、有益效果如下：

43、本发明为考虑根系微观结构和轴向拉压弹性模量的有限元仿真方法，在第一次建立完有限元本构模型之后，后期根据实测的数据对模型输入参数进行修正即可，可以获得更真实的模型，仿真与试验之间误差小于8％，本发明建立的模型对所有具有维管柱结构的根系均适用，对根土复合体的性能研究以及固土护坡具有深远意义。