CN104166754A - 一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法,包括以下步骤:(1)建立玉米芯模型,将玉米芯分为大头区间AB和小头区间BC两个待测区间;(2)建立玉米籽粒模型:Ⅰ、建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒模型;Ⅱ、建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型;(3)建立玉米籽粒胚沟模型,在步骤(2)建立的玉米籽粒模型上放样切出胚沟,建立具有胚沟模型的完整的玉米籽粒实体模型;(4)建立玉米果穗模型。本发明是基于几何特性参数化表示的结构建模,更贴合真实的玉米果穗,可满足玉米果穗脱粒等研究需要;而且模型可以用于不同玉米品种果穗的建模,所建模型可用于农学研究人员的有限元等仿真分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于对玉米果穗特性进行有限元等仿真分析的三维建模方法,具体的说是一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法。
背景技术
玉米是我国主要粮食作物之一,玉米果穗穗行数是描述玉米品种的关键形状之一,每个品种的小穗原基的数目受基因控制,通常是恒定的,因此大多数玉米果穗的穗行是偶数,且大多是十六行或十八行,而在田间表现中,十六行穗行的果穗又占多数。从统计学角度对玉米果穗进行仿真建模,对玉米果穗的理论研究和相关的工程设计都具有重要意义。
玉米脱粒原理主要有冲击、揉搓、梳刷、碾压和揉搓等,其中,冲击脱粒是目前国内玉米最常用脱粒原理。玉米籽粒脱粒破损率直接影响玉米的存储和种子生产等方面。玉米脱粒过程中,受脱粒设备的作用,存在一定的破损率,因此,研究降低玉米脱粒破损率的方法对生产实际有重大意义。降低玉米脱粒破损率的研究不仅包括对玉米脱粒装置的研究,还应包括玉米果穗特性的研究,为脱粒装置的设计提供理论依据。
目前,国内外基于玉米果穗脱粒过程的研究主要有离散元法和试验法,如于亚军等采用离散元法提出的基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法(于亚军,周海玲,付宏等.基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法[J].农业工程学报,2012,28(8):167~174),是将整个玉米芯分为若干球连接而成的玉米芯小块,每个小块上生长一定数量的玉米籽粒,每个小块采用与每个玉米籽粒对应的组成球相组合而成;而每个玉米籽粒采用一定数量的直径为籽粒厚度的单层球组合而成,籽粒上下和两侧边也采用球组合,籽粒内部用球填充,然后采用连接球模拟籽粒果柄,将籽粒与对应的玉米芯组成球连接。基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法从数学理论出发,通过自主研制的建模软件建立理想的果穗模型,将籽粒看做球组合的聚合体,玉米芯为多个通过球连接的小块组合而成。而在实际田间表现中,玉米果穗上除了两端最外缘籽粒外,果穗排列是每间隔两行排列相互错位搭接,即相邻两列穗行中的两横向籽粒侧面正对接触形成1对1对立接触,再与另外相邻两列穗行中的两层同样1对1接触的两横向籽粒侧面形成错位接触。该建模方法并不能准确表达田间实际的玉米果穗模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法,基于玉米果穗籽粒对立交错的排列特性,选取玉米果穗相关几何特性进行统计测量,建立仿真几何模型。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为,一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法,包括以下步骤:
(1)建立玉米芯模型
取同一品种且含水率一致的玉米芯试样,由于玉米芯沿轴向具有一定的锥度,沿其中心轴向方向取直径最大的部位标记为B,靠近部位B的一端端面标记为A,另一端端面标记为C,将玉米芯分为大头区间AB和小头区间BC两个待测区间,取游标卡尺测量出直径最大部位B、大头区间AB中的A部位和小头区间BC中的C部位的直径,以及大头区间AB和小头区间BC的长度,分别取各处的均值作为建模参数,建立玉米芯模型;
(2)建立玉米籽粒模型
Ⅰ、建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒模型
取玉米果穗上对应步骤(1)所划分的大头区间AB的玉米籽粒若干,将位于玉米籽粒中心轴线上且为果柄最底部的部位标记为D,然后沿玉米籽粒中轴线,将果柄最顶部即籽粒的最底部部位标记为E、籽粒最宽部位标记为G、籽粒最顶部部位标记为H、占果柄的最顶部至籽粒最宽部位沿籽粒中心轴线高度的 部位标记为F,沿籽粒中心轴线方向分别测量DE、EF、FG、GH四条线段的高度,并分别测量玉米籽粒两侧边穿过E、F、G三点并与籽粒中心轴线垂直的三条线段的长度,取游标卡尺测量玉米籽粒侧边对应上述三条线段的厚度并取其均值,取若干玉米籽粒的各测量参数均值作为建模参数,建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒三维模型;
Ⅱ、建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型
取玉米果穗上对应步骤(1)所划分的小头区间BC的玉米籽粒,采用步骤(2)Ⅰ的玉米籽粒轮廓的测量和建模方法,建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型;
(3)建立玉米籽粒胚沟模型:玉米籽粒两相对侧面的其中一面具有呈曲面结构的胚沟,胚沟的形状沿玉米籽粒中心轴线对称,各取玉米果穗上对应步骤(2)Ⅰ和Ⅱ中相同数目的玉米籽粒,测量玉米籽粒的胚沟几何特性数据并各取均值作为建立胚沟模型的参数;
Ⅰ、玉米籽粒两侧边穿过E点并与籽粒中心轴线垂直的线段作为胚沟的底边,取玉米籽粒上胚沟一侧轮廓边界与底边的交点标记为a,在胚沟该侧轮廓边界取三个沿玉米籽粒中心轴线方向间距相同的点,并依次标记为d、g和j,将a、d、g和j以玉米籽粒中心轴线为对称轴的对称点依次标记为c、f、i和L,a、d、g和j与相应对称点之间沿玉米籽粒表面连线的中点依次标记为b、e、h和k;
Ⅱ、取游标卡尺对ac、df、gi和jL连线的长度、该四条线段之间沿玉米籽粒中轴线的高度,以及b、e、h和k分别距离直线段ac、df、gi和jL的深度进行测量,根据测量的参数生成胚沟表面轮廓闭合曲线、连结abc三点的曲线、连结def三点的曲线、连结ghi三点的曲线以及连结behk四点的曲线,根据该五条曲线在步骤(2)建立的玉米籽粒模型上放样切除出胚沟,建立具有胚沟模型的完整的玉米籽粒实体模型;
(4)建立玉米果穗模型
Ⅰ、取步骤(2)Ⅰ和Ⅱ玉米籽粒模型中玉米籽粒果柄建模参数的均值,在步骤(1)建立的玉米芯模型上,沿其轴向在玉米芯模型的圆周面上纵向均匀切除出多条用于放置玉米籽粒果柄的V型槽;
Ⅱ、将步骤(3)建立的玉米籽粒实体模型装配到上述建立的玉米芯模型的V型槽中,然后每间隔两列玉米籽粒,将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向顺着V型槽拉伸一定距离,使每两列玉米籽粒对立交错排列。
其中,上述的步骤(4)Ⅱ中,每间隔两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向的拉伸距离为玉米籽粒厚度均值的。
本发明基于果穗上无缺籽、坏籽的情况下建立的模型,根据玉米芯的长度以及不同段直径的统计测量结果,在Solid Works软件中建立玉米芯模型,然后将建立的玉米籽粒模型的果柄装配至玉米芯上被切出的V型槽中。
有益效果:1、本发明基于籽粒排列规律,通过对籽粒、籽粒胚沟和玉米芯几何特征参数的测量,其中,包括对籽粒轮廓高度、厚度和宽度的测量,胚沟选取的四对十二个点进行特征测量,玉米芯几何特性选取玉米芯长度、不同段直径进行测量;然后基于玉米籽粒几何特性统计测量测量结果,建立玉米籽粒三维模型,基于玉米果穗籽粒普遍存在的组砌规律,将两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向顺着V型槽拉伸一定距离,使每两列玉米籽粒对立交错排列。
2、本发明中几何特征参数主要包括玉米芯、籽粒和籽粒胚沟的相关尺寸,这些尺寸是根据测量得到的数据,使得本发明是基于几何特性参数化表示的结构建模,更贴合真实的玉米果穗,可满足玉米果穗脱粒等研究需要;而且模型可以用于不同玉米品种果穗的建模,所建模型可用于农学研究人员的有限元等仿真分析;而且,基于几何特性的玉米籽粒三维形态建模方法具有普适性,对于构件其它农作物的三维模型具有指导意义。
附图说明
图1为玉米芯截面示意图;
图2为玉米芯三维模型;
图3为建立玉米籽粒模型时,在玉米籽粒实物上标记的测量点的位置;
图4为建立玉米籽粒胚沟模型时,在玉米籽粒实物的胚沟轮廓上标记的测量点的位置;
图5和图6为建立的玉米籽粒模型平面图;
图7为建立的玉米籽粒模型三维图;
图8为建立的玉米果穗模型。
附图标记:1、玉米芯,2、玉米籽粒,3、胚沟,4、V型槽。
具体实施方式
本发明根据玉米果穗籽粒排列特性,选取玉米果穗相关几何特性进行统计测量,所建玉米果穗几何模型较符合实际,具体的说,基于籽粒几何特性的玉米果穗的三维建模方法包括以下步骤:
步骤一、建立玉米芯模型
取同一品种且含水率相同的玉米芯试样,众所周知,玉米芯沿轴向具有一定的锥度。如图1所示,沿玉米芯中心轴向方向取直径最大的部位标记为B,靠近部位B的一端端面标记为A,另一端端面标记为C,将玉米芯分为大头区间AB和小头区间BC两个待测区间,取游标卡尺测量出直径最大部位B、大头区间AB中的A部位和小头区间BC中的C部位的直径,以及大头区间AB和小头区间BC的长度,分别取各处的均值作为建模参数,沿玉米芯中心轴线拉伸、旋转建立玉米芯模型;
步骤二、建立玉米籽粒模型
Ⅰ、建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒模型:取玉米果穗上对应步骤一中所划分的大头区间AB的玉米籽粒若干,如图3所示,将玉米籽粒看做是相对于中心轴线对称的结构,并将位于玉米籽粒中心轴线上且位于玉米籽粒果柄最底部的部位标记为D,然后沿着玉米籽粒的中心轴线,将玉米籽粒的果柄最顶部即玉米籽粒的最底部部位标记为E、对应玉米籽粒两侧宽度最宽的部位标记为G、籽粒最顶部部位标记为H、占果柄的最顶部至籽粒最宽部位沿籽粒中心轴线高度的部位标记为F。沿着玉米籽粒中心轴线方向分别测量DE、EF、FG、GH四条线段的高度,并取游标卡尺分别测量玉米籽粒两侧边穿过E、F、G三点并与籽粒中心轴线垂直的三条线段L1、L2、L3的长度,即玉米籽粒上对应E、F、G三点的宽度。
取若干玉米籽粒的各测量参数均值作为建模参数,建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒三维模型;
Ⅱ、建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型:取玉米果穗上对应步骤(1)所划分的小头区间BC的玉米籽粒,采用步骤二(Ⅰ)的玉米籽粒轮廓的测量和建模方法,建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型;
步骤三、建立玉米籽粒胚沟模型:玉米籽粒两相对侧面的其中一面具有呈曲面结构的胚沟,胚沟的形状沿玉米籽粒中心轴线对称,各取玉米果穗上对应步骤(2)Ⅰ和Ⅱ中相同数目的玉米籽粒,测量玉米籽粒的胚沟几何特性数据并各取均值作为建立胚沟模型的参数。
Ⅰ、如图4和图5所示,玉米籽粒两侧边穿过E点并与籽粒中心轴线垂直的线段作为胚沟的底边,取玉米籽粒上胚沟一侧轮廓边界与底边的交点标记为a,在胚沟该侧轮廓边界取三个沿玉米籽粒中心轴线方向间距相同的点,并依次标记为d、g和j,将a、d、g和j以玉米籽粒中心轴线为对称轴的对称点依次标记为c、f、i和L,a、d、g和j与相应对称点之间沿玉米籽粒表面连线的中点依次标记为b、e、h和k;
Ⅱ、取游标卡尺对ac、df、gi和jL连线的长度以及该四条线段之间沿玉米籽粒中轴线的竖直高度进行测量,胚沟与玉米籽粒在二维坐标系中的位置关系如图5所示;
因为胚沟的形状实际是在玉米籽粒一面上的凹陷曲面,通过游标卡尺对玉米籽粒上穿过b、e、h和k四点并与玉米籽粒中心轴线垂直,且位于玉米籽粒最外侧边的厚度测量,以及b、e、h和k四点的厚度测量,二者相减即可得出b、e、h和k分别距离ac、df、gi和jL连线的深度,在二维坐标系表示即如图6所示;
根据上述测量的参数生成胚沟表面轮廓闭合曲线、连结abc三点的曲线、连结def三点的曲线、连结ghi三点的曲线以及连结behk四点的曲线,根据该五条曲线在步骤二建立的玉米籽粒模型上放样切除出胚沟,建立具有胚沟模型的完整的玉米籽粒实体模型,该实体模型如图7所示;
步骤四、建立玉米果穗模型
Ⅰ、取步骤二(Ⅰ)和(Ⅱ)玉米籽粒模型中玉米籽粒果柄建模参数的均值,在步骤一建立的玉米芯模型上,沿其轴向在玉米芯模型的圆周面上纵向均匀切除出多条用于放置玉米籽粒果柄的V型槽,所建立的玉米芯模型如图2所示;
Ⅱ、将步骤三建立的玉米籽粒实体模型装配到上述建立的玉米芯模型的V型槽中,然后每间隔两列玉米籽粒,将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向顺着V型槽拉伸一定距离,使每两列玉米籽粒对立交错排列,所建立的玉米果穗实体模型如图8所示,玉米芯上排列的玉米籽粒,每相邻两列玉米籽粒对立交错排列。
本发明的步骤四(Ⅱ)中,将每间隔两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向顺着V型槽拉伸一定距离,取步骤二(Ⅰ)和(Ⅱ)玉米籽粒模型中玉米籽粒建模参数厚度的均值,每间隔两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向的拉伸距离为玉米籽粒厚度均值的。
具体的建模过程为:(1)分别选取若干品种为浚单20的玉米芯和玉米籽粒,玉米籽粒含水率为10%,玉米芯含水率为10.5%;
(2)如图1所示,在每个玉米芯上直径最大处B的部位划分,将玉米芯划分为大头区间AB和小头区间BC两个区间,对玉米芯大头端A、直径最大处B、小头端C三个测量点测量玉米芯直径并取均值,分别为20.34mm、27.4mm、21.46mm,并测量计算大头区间AB和玉米芯长度AC沿玉米芯中轴线的长度均值为10mm和188.3mm,将各处平均值作为构建玉米芯模型的关键尺寸。根据玉米芯大头端、直径最大处、小头端三处直径以及大头区间和小头区间两个区间的长度,在三维软件中沿玉米芯中心轴线旋转即可建立玉米芯实体模型;
(3)测量玉米籽粒轮廓尺寸,并在三维软件中画出玉米籽粒轮廓实体模型。籽粒模型分两部分建立,即:一、玉米芯大头端部至玉米芯直径最大处部分果穗籽粒,此部分籽粒每列布置两颗籽粒;二、玉米芯直径最大处至玉米芯小头端部的籽粒;
对第一部分籽粒,由于玉米果穗大头端部的籽粒不规则,此处的籽粒形状无明显规律,用长度、宽度和厚度等几何指标并不能准确地表达出籽粒的形状,多选玉米籽粒进行测量不仅不能增加准确度,反而会增大误差,所以第一部分籽粒取二十粒进行测量(从浚单20的五个不同果穗上对应玉米芯大头端部至玉米芯直径最大处的区间任意取四个籽粒),第二部分籽粒取五十粒进行测量(从浚单20的五个不同果穗上对应玉米芯直径最大处至玉米芯小头端部的区间任意取十个籽粒)。
从玉米籽粒的果柄底部至籽粒顶部选取4处作为测量点,分别测量测量点处籽粒的长、宽、厚,此4处测量点分别为:果柄底部、果柄顶部即籽粒的最底部、籽粒最宽处、籽粒顶部。根据测量数值的平均值,籽粒长度均值为12.79mm,籽粒最宽处均值为8mm,建立第一部分籽粒最外侧截面图,其中,籽粒果柄的截面图为三角形,玉米籽粒的厚度为5mm,如图5和图6所示;在三维软件Solid Works中根据籽粒最外侧截面图及籽粒厚度可拉伸出籽粒轮廓模型,如图7所示;
(4)统计而言,浚单20玉米果穗的圆周方向有16纵列玉米籽粒,根据(3)中所测玉米籽粒果柄处的数据,在玉米芯模型上切除出16条V型槽用于放置截面为三角形的籽粒果柄;
(5)测量胚沟尺寸,在籽粒轮廓实体模型中切除出胚沟。胚沟几何形状为曲面,胚沟的形状相似,可测得胚沟平均数据作为规则籽粒的胚沟。分别取浚单20玉米果穗上对应(3)中第一部分和第二部分的籽粒各五十粒,
各取玉米果穗上对应步骤(2)Ⅰ和Ⅱ中相同数目的玉米籽粒,对这一百粒籽粒中的每个籽粒选取4对(每对3个)12个关键点,通过对4对关键点间长度、深度及测量点间高度的测量,可在三维软件中生成4条曲线,根据4条曲线可放样切除出胚沟,从而建立完整的玉米籽粒实体模型。第一部分和第二部分的籽粒胚沟尺寸视为相同。
(6)将玉米籽粒装配至玉米芯,从而建立玉米果穗实体模型。装配时,每两行对立行籽粒沿玉米果穗圆周方向时的籽粒相同的,每间隔两列将两相邻列籽粒沿玉米芯中心轴线拉伸2.5mm,从玉米芯大头端向小头端拉伸,其他籽粒尺寸保持不变,而玉米芯大头端最外围籽粒的形状随拉伸方向适应性变化,所建立的玉米果穗三维模型如图8所示。
本发明的三维建模保证了玉米籽粒的排列接近实际,即籽粒之间是接触的、籽粒的排列符合组砌规律。该建模方法可以精确、快捷地重建玉米籽粒的模型,为后续玉米籽粒脱粒等农学研究提供技术支持。
Claims (2)
1.一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)建立玉米芯模型
取玉米芯试样,玉米芯沿轴向具有一定的锥度,沿其中心轴向方向取直径最大的部位标记为B,靠近部位B的一端端面标记为A,另一端端面标记为C,将玉米芯分为大头区间AB和小头区间BC两个待测区间,取游标卡尺测量出直径最大部位B、大头区间AB中的A部位和小头区间BC中的C部位的直径,以及大头区间AB和小头区间BC的长度,分别取各处的均值作为建模参数,建立玉米芯模型;
(2)建立玉米籽粒模型
Ⅰ、建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒模型
取玉米果穗上对应步骤(1)所划分的大头区间AB的玉米籽粒若干,将位于玉米籽粒中心轴线上且为果柄最底部的部位标记为D,然后沿玉米籽粒中轴线,将果柄最顶部即籽粒的最底部部位标记为E、籽粒最宽部位标记为G、籽粒最顶部部位标记为H、占果柄的最顶部至籽粒最宽部位沿籽粒中心轴线高度的 部位标记为F,沿籽粒中心轴线方向分别测量DE、EF、FG、GH四条线段的高度,并分别测量玉米籽粒两侧边穿过E、F、G三点并与籽粒中心轴线垂直的三条线段的长度,取游标卡尺测量玉米籽粒侧边对应上述三条线段的厚度并取其均值,取若干玉米籽粒的各测量参数均值作为建模参数,建立玉米果穗上对应大头区间AB的玉米籽粒三维模型;
Ⅱ、建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型
取玉米果穗上对应步骤(1)所划分的小头区间BC的玉米籽粒,采用步骤(2)Ⅰ的玉米籽粒轮廓的测量和建模方法,建立玉米果穗上对应小头区间BC的玉米籽粒模型;
(3)建立玉米籽粒胚沟模型
玉米籽粒两相对侧面的其中一面具有呈曲面结构的胚沟,胚沟的形状沿玉米籽粒中心轴线对称,各取玉米果穗上对应步骤(2)Ⅰ和Ⅱ中相同数目的玉米籽粒,测量玉米籽粒的胚沟几何特性数据并各取均值作为建立胚沟模型的参数;
Ⅰ、玉米籽粒两侧边穿过E点并与玉米籽粒中心轴线垂直的线段作为胚沟的底边,取玉米籽粒上胚沟一侧轮廓边界与底边的交点标记为a,在胚沟该侧轮廓边界取3个沿玉米籽粒中心轴线方向间距相同的点,并依次标记为d、g和j,将a、d、g和j以玉米籽粒中心轴线为对称轴的对称点依次标记为c、f、i和L,a、d、g和j与相应对称点之间沿玉米籽粒表面连线的中点依次标记为b、e、h和k;
Ⅱ、取游标卡尺对ac、df、gi和jL连线的长度、该四条线段之间沿玉米籽粒中轴线的高度,以及b、e、h和k分别距离直线段ac、df、gi和jL的深度进行测量,根据测量的参数生成胚沟表面轮廓闭合曲线、连结abc三点的曲线、连结def三点的曲线、连结ghi三点的曲线以及连结behk四点的曲线,根据该五条曲线在步骤(2)建立的玉米籽粒模型上放样切除出胚沟,建立具有胚沟模型的完整的玉米籽粒实体模型;
(4)建立玉米果穗模型
Ⅰ、取步骤(2)Ⅰ和Ⅱ玉米籽粒模型中玉米籽粒果柄建模参数的均值,在步骤(1)建立的玉米芯模型上,沿其轴向在玉米芯模型的圆周面上纵向均匀切除出多条用于放置玉米籽粒果柄的V型槽;
Ⅱ、将步骤(3)建立的玉米籽粒实体模型装配到上述建立的玉米芯模型的V型槽中,然后每间隔两列玉米籽粒,将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向顺着V型槽拉伸一定距离,使每两列玉米籽粒对立交错排列。
2.根据权利要求1所述的一种基于籽粒几何特性的玉米果穗三维建模方法,其特征在于:所述的步骤(4)Ⅱ中,每间隔两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向的拉伸距离为玉米籽粒厚度均值的。
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