CN115452632A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明属于生态边坡修复领域和建立根系结构离散元数值模拟技术领域，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。
背景技术
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。
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。
发明内容
针对上述技术问题，本发明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。
本发明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。
本发明提供的技术方案如下：
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：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：利用万能拉压试验测定根部抗拉强度；
(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。
进一步，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，挖取几株完整典型植株；
(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。
进一步，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(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；
(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；
(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。
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。
进一步，所述步骤(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stl格式文件。
进一步，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抗拉强度。
更进一步，所述步骤(4)中，计算根部抗拉强度的公式如下：
Figure BDA0003824355020000031
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)。
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。
进一步，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，基于计算的参数进行粘结，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；模型根系的尺寸是实验所用的真实根系的平均尺寸，模型根系的有效长为10cm，加上每端增加1cm作为对模型根系施加拉伸载荷的夹具夹持部分的根，夹具夹持部分的握力包含与模型根系相同大小的颗粒和相同类型的键；在模拟拉伸试验中，将握持物中的颗粒沿根系轴向分配一个速度，对模型根系施加拉伸载荷，导致模型根系断裂，表现为颗粒的脱离；
(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
Figure BDA0003824355020000041
剪切刚度
Figure BDA0003824355020000042
键半径乘子(λ)、抗拉强度(σmicro)、
Figure BDA0003824355020000043
为粘聚力、
Figure BDA0003824355020000044
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)
Figure BDA0003824355020000045
宏观平行黏结刚度比
Figure BDA0003824355020000046
平行黏结抗拉强度(MPa)σmicro；
(5.8)为了使宏观性能的监测与实验相似，从而获得合适的DEM模型的微观参数，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
Figure BDA0003824355020000047
施加荷载在单根韧皮部和木质部，得到
Figure BDA0003824355020000048
其中EC1为韧皮部的弹性模量，
Figure BDA0003824355020000049
为木质部的弹性模量，rz为弹性模量比；
Figure BDA00038243550200000410
为韧皮部的强度，
Figure BDA00038243550200000411
为木质部的强度，rp为强度比。用固定比值进行微观参数标定；
(5.9)在接触模型的本构方程中输入参数数值后，建立离散元模型，从而对植物根部拉伸进行模拟仿真。
更进一步，所述kn和
Figure BDA00038243550200000412
可以用下列方程计算：
Figure BDA00038243550200000413
Figure BDA00038243550200000414
其中，RA和RB为连接在一起的两个颗粒的半径，
Figure BDA00038243550200000415
为键的截面积，Ec为粒子-粒子接触时的杨氏模量，
Figure BDA00038243550200000416
为键的杨氏模量。为了减少细观参数的数量，将kn/ks或
Figure BDA00038243550200000417
的比值视为一个细观参数，并假设两个比值相等：
Figure BDA00038243550200000418
为进一步简化，假设颗粒-颗粒接触等于粘结杨氏模量，即微杨氏模量：经过这些假设，模型所需的输入微观参数分别降为kn/ks、μ、σmicro、
Figure BDA00038243550200000419
和
Figure BDA00038243550200000420
进一步，所述步骤(6)中，实测结果为包括拉伸强度和杨氏模量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的方法通过SEM对根系微观结构进行三维重构，得到三维结构stl格式文件，再结合离散元模型建模，大幅提高建模精度，进一步结合实测的数据对建模参数进行修正，可以获得更高质的，更接近真实的模型。
2、本发明提供的方法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。
附图说明
图1为根据实验数据标定的离散元模型建立的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例
试验根系的选取备样，包括下列步骤：
(1)选择在同一微环境(相同的生境，相似的景观位置)下长势好且地径一致的的一种植物，采用干挖法挖取一株或几株完整典型植株；
(1.2)将根系上附着的土壤洗掉并去除根表面多余的水分。然后把每条根剪下来，测量每条根的直径、长度；
(1.3)将根截取长为10-15cm，随后采集直径1–7mm植物根系，按直径每隔1mm进行分级,共分为7级,别为1(1.00±0.5mm)，2(2.00±0.5mm，3(3.00±0.5mm)，4(4.00±0.5mm)，5(5.00±0.5mm)，6(6.00±0.5mm)，7(7.00±0.5mm)；
(1.4)做根系直径分布统计，并将根系进行编号；
(1.5)然后装于密封袋中,一部分用于根系拉伸试验,一部分测定根系截面扫描电镜(SEM)图片，一部分用于纳米压痕试验。放于4℃恒温箱保持根系鲜活,并于一周内完成试验。
(2)根系内部微观结构采用纳米压痕试验测试微观力学性能，包括下列步骤：
(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(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；
(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，硬度等；
(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，具体包括弹性模量和硬度。
(3)根系内部微观结构图像采集，包括下列步骤：
(3.1)将干净新鲜单根样品等分平切成3mm若干片，再参照实验室制样标准，按制样流程制造根横切永久制片；
(3.2)将根横切永久制片放在显微镜下，可以观察到由外到内依次为表皮、皮层、中柱鞘、次生韧皮部、初生韧皮部、次生木质部、初生木质部；
(3.3)并对根横切永久制片的截面进行拍照，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；
(3.4)再利用Inspect 3D软件进行匹配对中，使用Amira软件将上百张根系微观结构图片进行叠加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)在实验室用万能试验机进行单根抗拉强度测试，测得试验真实参数值，根系抗拉强度测试是评估根系加固效果的关键一步，包括下列步骤：
(4.1)选定60个直径不同的尽可能顺直且表面完好无损伤植物根系，D<8mm(因为这是实验室可以测试的最大根系直径)，并把根截取为0.12m；
(4.2)根系抗拉强度试验在实验室用万能拉压试验(UTS Testsysteme GmBh.Ulm，Germany)进行根系力学特性的测定，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；
具体如下：
拉拔速率设置5mm·min-1，标距为10cm，测试结束电脑端自动复位；
在测量根系强度时，夹持是最关键的问题。由于夹紧问题，直径D>8mm的根无法测试；
在试验中，根被用螺旋钳夹住。夹持最常出现问题是夹持器损坏根结构，在夹持位置诱导根破裂。根在夹紧位置或靠近夹紧位置断裂的试验视为无效；
为了在不破坏根系结构的前提下，提高根系与夹具之间的附着力，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；
选择完整无损的单根，把单根两端用夹具固定，测定长度为10cm，每个根样本被试验机的螺丝夹塞在其整个宽度上；
拉伸前钳夹间长度设定为1±0.3cm。在发动机上转动试样，以5mm/min的恒定测试速度进行切线丝杠运动；
整个拉伸过程中,试验机系统通过传感器自动采集数据,记录拉伸实验的全过程,绘出荷载-位移曲线,最大抗拉力—根径、抗拉强度—根径的曲线等。；
测试前，用数显数字卡尺分别在上钳口附近、中钳口附近和下钳口附近3个点测量根系直径，取平均值作为根段的根径(D)并记录；
根据实验所得数据，如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)，然后用下列公式计算根部抗拉强度Tr：
Figure BDA0003824355020000071
(5)根系微观结构的单根抗拉试验离散元模型建立，包括下列步骤：
(5.1)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模型生成的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；Yade是利用DEM模拟固体材料力学和动力学行为的软件；
(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，基于计算的参数进行粘结，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模型(STL)文件；
(5.4)模型根系是由具有矩形截面的离散颗粒(球)以及连接颗粒的键组成，这些颗粒被粘结在一起，使颗粒组装成固体材料，就像真正的植物纤维；模型根系可以具有任意尺寸；
在这种情况下，模型根系的尺寸是实验所用的真实根系的平均尺寸。模型根系的有效长度(L)为10cm，加上每端增加1cm作为对模型根系施加拉伸载荷的夹具夹持部分的根。夹具夹持部分的根包含与模型根系相同大小的颗粒和相同类型的键；
在模拟拉伸试验中，将夹具夹持部分中的颗粒沿根系轴向分配一个速度，对模型根系施加拉伸载荷，导致模型根系断裂，表现为颗粒的脱离；
(5.5)用平行黏结模型(parallel bond model)定义了粒子间的键。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，颗粒和键是由它们的微观参数定义的。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
Figure BDA0003824355020000081
剪切刚度
Figure BDA0003824355020000082
键半径乘子(λ)、抗拉强度(σmicro)、
Figure BDA0003824355020000083
为粘聚力、
Figure BDA0003824355020000084
为摩擦角；
kn和
Figure BDA0003824355020000085
可以用下列方程计算：
Figure BDA0003824355020000086
Figure BDA0003824355020000087
其中，
Figure BDA0003824355020000088
为键的截面积，RA和RB为连接在一起的两个颗粒的半径，Ec为粒子-粒子接触时的杨氏模量，
Figure BDA0003824355020000089
为键的杨氏模量。为了减少细观参数的数量，将kn/ks或
Figure BDA00038243550200000810
的比值视为一个细观参数，并假设两个比值相等：
Figure BDA00038243550200000811
为进一步简化，假设颗粒-颗粒接触等于粘结杨氏模量，即微杨氏模量：经过这些假设，模型所需的输入微观参数分别降为kn/ks、μ、σmicro、
Figure BDA00038243550200000812
和
Figure BDA00038243550200000813
(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)
Figure BDA00038243550200000814
宏观平行黏结刚度比
Figure BDA00038243550200000815
平行黏结抗拉强度(MPa)σmicro；
(5.8)为了建立的模型宏观性能的监测与实验相似，从而获得合适的DEM模型的微观参数，所以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
Figure BDA00038243550200000816
施加荷载在单根韧皮部和木质部，得到
Figure BDA00038243550200000817
其中EC1为韧皮部的弹性模量，
Figure BDA00038243550200000818
为木质部的弹性模量，rz为弹性模量比；
Figure BDA00038243550200000819
为韧皮部的强度，
Figure BDA00038243550200000820
为木质部的强度，ro为强度比。用固定比值进行微观参数标定；
(5.9)在接触模型的本构方程中输入参数数值后，建立离散元模型，从而对植物根部拉伸进行模拟仿真；
(6)通过拉伸实验结果和杨氏模量与DEM模型数值模拟结果比对，并根据真实参数对离散元参数进行标定和修正。DEM模型单根的和真实单根结构一样，有木质部和韧皮部，DEM模型采用实验室根系拉伸实验相同的两头抓取方式，且速率相同，从而对植物根部拉伸进行模拟仿真。将数值结果与室内拉伸试验结果进行对比，如应力-应变曲线，修正并标定微观参数。
建立DEM输入微观参数与输出宏观性能之间的关系，这对于今后利用DEM模型模拟植物根系的微观动力学至关重要。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

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-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：
(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：
Figure FDA0003824355010000021
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
Figure FDA0003824355010000031
剪切刚度
Figure FDA0003824355010000032
键半径乘子λ、抗拉强度σmicro、
Figure FDA0003824355010000033
为粘聚力、
Figure FDA0003824355010000034
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)
Figure FDA0003824355010000035
宏观平行黏结刚度比
Figure FDA0003824355010000036
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
Figure FDA0003824355010000037
施加荷载在单根韧皮部和木质部，得到
Figure FDA0003824355010000038
其中EC1为韧皮部的弹性模量，
Figure FDA0003824355010000039
为木质部的弹性模量，rz为弹性模量比；
Figure FDA00038243550100000310
为韧皮部的强度，
Figure FDA00038243550100000311
为木质部的强度，rp为强度比；用固定比值进行微观参数标定；
(5.8)在接触模型的本构方程中输入参数数值后，建立离散元模型，从而对植物根部拉伸进行模拟仿真。
9.根据权利要求8所述的单根抗拉试验离散元模拟方法，其特征在于，所述kn和
Figure FDA00038243550100000312
可以用下列方程计算：
Figure FDA00038243550100000313
Figure FDA00038243550100000314
其中，RA和RB为连接在一起的两个颗粒的半径，
Figure FDA00038243550100000315
为键的截面积，Ec为颗粒-颗粒接触时的杨氏模量，
Figure FDA00038243550100000316
为键的杨氏模量；为了减少细观参数的数量，将kn/ks或
Figure FDA00038243550100000317
的比值视为一个细观参数，并假设两个比值相等：
Figure FDA00038243550100000318
为进一步简化，假设颗粒-颗粒接触等于粘结杨氏模量，即微杨氏模量：经过上述假设，模型所需的输入微观参数分别降为kn/ks、μ、σmicro、
Figure FDA00038243550100000319
和
Figure FDA00038243550100000320
10.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(6)中，实测结果为包括拉伸强度和杨氏模量。
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