申请/专利权人：东北农业大学

申请日：2023-12-08

公开（公告）日：2024-02-23

公开（公告）号：CN117592339A

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F30/25;G06T17/20;G06F119/14;G06F113/26

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.03.12#实质审查的生效;2024.02.23#公开

摘要：一种原状玉米根土复合体仿真模型建模方法属于农业工程领域。本方法包括：田间原状玉米根土复合体取样，分别测量土壤与根茬的材料特性；对样本进行测绘得到三维几何模型；对几何模型进行网格划分并将测得材料特性分别赋予土壤与根茬；通过*CONTACT_TIED_OPTION关键字设置模拟根茬‑土壤相互作用关系并进行相关边界条件设置；采用原位直剪试验对模型进行验证的步骤，其结果表明此方法构建的仿真模型能够准确的表达原状玉米根茬‑土壤之间的力学效果，经原位直剪试验验证仿真结果和试验值误差不超过5％，为农业装备设计提供技术支持。

主权项：1.一种原状玉米根土复合体仿真模型建模方法，其特征在于：本方法是基于LS-DYNA软件的原状玉米根土复合体仿真模型建模技术，在LS-DYNA软件中将根茬采用FEM有限元法、土壤采用SPG光滑粒子伽辽金法模拟土壤颗粒形态，通过LS-DYNA软件的自适应功能同时实现两种方法的耦合，还原材料本身形态及理化性质，设置接触关键字模拟根茬-土壤之间的作用关系，上述方法步骤如下：步骤一、在田间采集圆柱形原状玉米根土复合体样本分别放置在与其圆柱形尺寸相匹配的密封塑料桶中，取样后冷藏保存并尽快进行参数和生物力学测试，将部分复合体样本土壤与根茬人工手动分离，并用清水洗净根茬表面剩余粘黏土壤，收集土壤和根茬分别进行三轴和拉伸试验，得到土壤参数的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、体积模量、泊松比；得到根茬上茎秆和须根弹塑性参数的体积密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、剪切模量、塑性硬化模量、体积模量；步骤二、依据步骤一采集的原状玉米根土复合体样本尺寸分别绘制土壤和根茬的三维几何模型，所述三维几何模型绘制步骤是：2.1毛细根在建模过程中忽略；2.2按照玉米根茬样本几何数据以圆柱形凸台绘制根茬上茎秆的地上部分，并且根据样本确定第一层须根在茎秆上的位置；测量底部去除须根后茎秆的形状和长度，并通过旋转槽命令来拟合茎秆底部的形状；2.3测量第一层须根的直径，取数据平均值以样条线大致拟合须根的分布形态，使用旋转凹槽大致模拟须根的直径变化，并使用圆形阵列绘制这层须根，均匀分布，第二至第八层须根绘制步骤与上述相同；2.4根据步骤一中田间采集圆柱形原状玉米根土复合体样本，绘制复合体土壤圆柱模型，并通过布尔运算函数从土壤中删除玉米根茬；步骤三、对步骤二绘制的几何模型进行网格划分，将土壤的三维实体网格转化为SPG颗粒，利用步骤一测得的数据分别赋予土壤和根茬；所述的步骤三网格划分步骤是：3.1在茎秆、须根、土壤之间使用公共节点法绘制网格单元，采用挤压表面网格的线拖动方法绘制六面体网格，土壤SPG颗粒由六面体网格转化而成；3.2在茎秆二维四边形面网格的基础上形成三维四面体单元网格；3.3采用自动网格法将八层须根划分大小为1mm的二维三角形面网格后转化为三维四面体网格；步骤四、通过*CONTACT_TIED_OPTION关键字设置模拟根茬-土壤相互作用关系，并进行相关边界条件设置；所述的步骤四具体步骤是：4.1采用*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE确定了根土复合材料中土壤与根茬的接触，实现FEM根茬与SPG土壤之间的耦合；4.2束缚接触范围与原状根土复合体样本中土壤的平均直径相同；4.3土壤部分的正面和背面在Y方向上受到*BOUNDARY_SPC_SET的约束；4.4使用*MAT_147MAT_FHWA_SOIL为土壤的材料，该模型考虑了土壤粘塑性参数、应变加固参数和孔隙水效应多种因素；4.5茎秆和须根分别被设定为*MAT_003MAT_PLASTIC_KINEMATIC和*MAT_012ISOTROPIC-ELASTIC-PLASTIC材料；4.6将测量材料数据分别赋予土壤、茎秆和须根；步骤五、进行原位直剪试验得到剪切力-位移曲线图和数据，对模型进行验证；所述的步骤五步骤是：5.1采用RGM-2050电子万能试验机进行原状玉米根土复合体整体的原位直剪试验，剪切工具由65Mn钢制成，宽度为100mm，长度为200mm，厚度为5mm，圆弧刀刃且单边刃口角度30°，切割速度设置为120mmmin；5.2剪切位置为位于距离根茬中心40mm处和根茬中心的两个位置；5.2与实际保持相同条件进行仿真直剪模拟，提取剪切力-位移曲线以及数据；5.3将测量的力-位移数据绘制为散点图和多项式拟合，并与仿真曲线进行比较，仿真数据与剪切试验测量数据呈现相同趋势，且仿真拟合曲线位于以测量值为基础绘制的95％预测区间之内。

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