【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及植物建模分析，具体是一种玉米秸秆根土复合体的建模方法。
技术介绍
1、随着保护性耕作日益普及，逐渐采用秸秆覆土还田，机械化作业土壤条件演变为秸秆、残茬与土壤的混合体。因此，在中国大部分玉米机械化生产地区，分析耕作、切割、收获、还田等机械作业过程中土壤、根系、秸秆与机械部件四者之间相互作用机理尤为重要。随着计算机技术发展，利用离散元法进行数值模拟分析如玉米秸秆根土复合体这类离散物料，相比于传统试验方法具有高效、可重复、不受环境因素影响等优点，可以获得准确可靠的结果。同时，离散元法数值模拟可以从微观角度进行肉眼无法观察到的更为细致的分析。为研究耕作、切割、收获、还田等机械作业过程中土壤、根系、秸秆与机械部件四者之间相互作用机理，进行精确的数值模拟，建立准确的玉米秸秆根土复合体模型是重中之重。
2、现有玉米秸秆根土复合体建模方法相关研究相对较少，主要根据轮廓线形态采用多球填充进行建模。论文《discrete element modeling and shear properties of themaize stubble-soil complex》（2022.11.28，张世林等）细致测量了根系直径变化与分布，通过api获取坐标采用自动填充方法建立了根土复合体模型，并对相关力学模型参数进行标定。这种方法所建立的模型形态接近，但该方法根系模型球颗粒数较多，秸秆采用单一材质，影响仿真效率和精度。论文《基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究》（2018.05，刘俊安）是通过观察根系形状建立根系模型三维模型
3、如上所述的玉米秸秆根土复合体建模方法虽然接近实际形态轮廓，但是均属于自动填充方法，未考虑根系相连秸秆不同部位力学差异，填充球颗粒数量较多，影响仿真效率与精度，且难以实现群体建模分析群体运动。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种玉米秸秆根土复合体的建模方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：
3、一种玉米秸秆根土复合体的建模方法，其包括以下步骤：
4、根据玉米秸秆根土复合体的结构组成和力学特性，确定玉米秸秆根土复合体中各组成部分的组合球颗粒的排列方式；所述组合球颗粒包括秸秆组合球颗粒、根系组合球颗粒和土壤组合球颗粒；
5、获取并分析试验田土壤颗粒的外观形貌与粒径分布情况，构建土壤颗粒几何模型；
6、基于所述土壤颗粒几何模型，根据土壤组合球颗粒的排列方式构建土壤颗粒群体分析几何模型；
7、获取并分析待建模的玉米秸秆根系在土壤中的形态与分布参数，并结合根系组合球颗粒和秸秆组合球颗粒的排列方式，计算根系组合球颗粒和秸秆组合球颗粒的坐标，构建玉米秸秆根系几何模型；
8、获取玉米秸秆根土复合体的力学参数，将力学参数输入至力学模型中，并结合所述土壤颗粒群体分析几何模型和所述玉米秸秆根系几何模型，构建基于离散元法的玉米秸秆根土复合体模型。
9、优选地，所述秸秆组合球颗粒至少包括外皮组合球颗粒、内穰组合球颗粒和茎节组合球颗粒；所述根系组合球颗粒至少包括初生根组合球颗粒和次生根组合球颗粒；所述土壤组合球颗粒至少包括表层土组合球颗粒和耕作层组合球颗粒。
10、优选地，根系在土壤中的形态与分布参数至少包括初生根数量、初生根直径、初生根入土角度、初生根入土深度、次生根数量、次生根直径、次生根入土角度和次生根入土深度。
11、优选地，秸秆在土壤中的形态与分布参数至少包括秸秆直径、外皮厚度和茎节位置。
12、优选地，所述玉米秸秆根系几何模型中，根系与秸秆模型全相切排列，根系组合球颗粒均布于秸秆模型外皮一周。
13、优选地，所述土壤组合球颗粒采用随机分布方式填充在玉米秸秆根系几何模型的外区域。
14、优选地，所述土壤颗粒群体分析几何模型先通过随机生成的方式生成耕作层模型，然后在耕作层模型上覆盖表层土模型。
15、优选地，所述力学参数包括接触力学参数和粘接力学参数。
16、优选地，所述接触力学参数至少包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数、阻尼系数、刚度因子、屈服强度和表面能；所述粘接力学参数至少包括法向粘接刚度系数、切向粘接刚度系数、临界法向应力和临界切向应力。
17、优选地，所述力学模型选用hertz-mindlin接触模型、jkr接触模型、hystereticspring接触模型和bonding模型；其中，组合球颗粒与边界间采用hertz-mindlin接触模型；土壤组合球颗粒间，以及土壤与根系组合球颗粒间采用jkr模型；秸秆组合球颗粒间采用hysteretic spring接触模型；秸秆组合球颗粒间、根系组合球颗粒间，以及秸秆组合球颗粒与根系组合球颗粒间采用bonding模型。
18、本专利技术实施例提供了一种玉米秸秆根土复合体的建模方法，还原了玉米秸秆根土复合体中秸秆不同组成部分力学差异，通过设置不同力学参数表征不同组成部分力学特性，使其能够更准确反映秸秆在外载荷作用下力学响应，并对土壤颗粒进行分层，还原不同土层力学特性，其得到的玉米秸秆根土复合体模型的仿真效率与精度较高，可用于收获还田等机械化作业过程的仿真分析中。
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1.一种玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述秸秆组合球颗粒至少包括外皮组合球颗粒、内穰组合球颗粒和茎节组合球颗粒；所述根系组合球颗粒至少包括初生根组合球颗粒和次生根组合球颗粒；所述土壤组合球颗粒至少包括表层土组合球颗粒和耕作层组合球颗粒。
3.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，根系在土壤中的形态与分布参数至少包括初生根数量、初生根直径、初生根入土角度、初生根入土深度、次生根数量、次生根直径、次生根入土角度和次生根入土深度。
4.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，秸秆在土壤中的形态与分布参数至少包括秸秆直径、外皮厚度和茎节位置。
5.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述玉米秸秆根系几何模型中，根系与秸秆模型全相切排列，根系组合球颗粒均布于秸秆模型外皮一周。
6.根据权利要求1或5所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述土壤组合球颗粒采用
7.根据权利要求6所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述土壤颗粒群体分析几何模型先通过随机生成的方式生成耕作层模型，然后在耕作层模型上覆盖表层土模型。
8.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述力学参数包括接触力学参数和粘接力学参数。
9.根据权利要求8所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述接触力学参数至少包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数、阻尼系数、刚度因子、屈服强度和表面能；所述粘接力学参数至少包括法向粘接刚度系数、切向粘接刚度系数、临界法向应力和临界切向应力。
10.根据权利要求1或8所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述力学模型选用Hertz-Mindlin接触模型、JKR接触模型、Hysteretic Spring接触模型和Bonding模型；其中，组合球颗粒与边界间采用Hertz-Mindlin接触模型；土壤组合球颗粒间，以及土壤与根系组合球颗粒间采用JKR模型；秸秆组合球颗粒间采用Hysteretic Spring接触模型；秸秆组合球颗粒间、根系组合球颗粒间，以及秸秆组合球颗粒与根系组合球颗粒间采用Bonding模型。
...【技术特征摘要】
1.一种玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述秸秆组合球颗粒至少包括外皮组合球颗粒、内穰组合球颗粒和茎节组合球颗粒；所述根系组合球颗粒至少包括初生根组合球颗粒和次生根组合球颗粒；所述土壤组合球颗粒至少包括表层土组合球颗粒和耕作层组合球颗粒。
3.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，根系在土壤中的形态与分布参数至少包括初生根数量、初生根直径、初生根入土角度、初生根入土深度、次生根数量、次生根直径、次生根入土角度和次生根入土深度。
4.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，秸秆在土壤中的形态与分布参数至少包括秸秆直径、外皮厚度和茎节位置。
5.根据权利要求1所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述玉米秸秆根系几何模型中，根系与秸秆模型全相切排列，根系组合球颗粒均布于秸秆模型外皮一周。
6.根据权利要求1或5所述的玉米秸秆根土复合体的建模方法，其特征在于，所述土壤组合球颗粒采用随机分布方式填充在玉米秸秆根系几何模型的外区域。
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