农作物茎秆多尺度结构与茎倒伏力学性能关系

There are two major challenges in the research field of multi-scale modeling and mechanical characterization. Firstly, the current cell wall elastic models cannot provide predictions with sufficient accuracy and some of the critical cell wall mechanical properties related to the stem lodging cannot be obtained with current experimental methods. Secondly, the uncertainty of the influences of environmental factors and the complexity of the mesoscale structure reduce the accuracy of models. Considering the inaccuracy of the cell wall elastic models and the disagreement of the influences of polymers on the hydroelastic behaviors, the applicant proposed the interlayer model for the cell wall mechanical modeling from the ultrascale to the microscale based on the continuity of nature growth. Besides, the cellular structure of the stem at the mesocale is reconstructed with the area weighted tessellation (AWT) method developed based on the Delaunay triangulation. Then the mechanical behavior of the stem vascular tissue was modeled using the cell wall elastic modulus obtained from the interlayer model, through which the stem lodging resistance can be quantitatively characterized. The multiscale modeling can give a quantitative prediction of the stem lodging resistance through a mechanical calculation from the materials composition of the plant cell wall, the moisture level and the multiscale structural parameters. It offers a more direct understanding of the lodging behavior than the current methods used in the mechanical study of crop lodging. The results of the mechanical study in this project will guide the directed breeding, irrigating and fertilizing of crops.

目前，作物的多尺度结构与力学性能表征面临两大难题：(1)超微尺度和微观尺度下细胞壁弹性力学模型预测的不准确性；(2)因作物种类和环境因素不确定性造成中尺度下等效计算模型误差偏大和测试数据的不完备性。针对经典细胞壁层合板模型对细胞壁分层结构描述的不准确以及木质素、纤维素和纤维素中结晶体和非结晶体对细胞壁干缩湿胀机理解释存在的分歧，申请人基于作物生长发育过程的连续性，提出中间层思想并应用于作物微观和超微尺度下的建模。同时，基于Delaunay三角化的面积权重的思想实现茎秆中尺度下的几何模型重建，并将改进的细胞壁弹性模量计算方法引入茎秆中尺度下对维管束的力学建模与计算，宏观上获得对作物茎倒伏性能的定量表征。与现有的农作物茎倒伏力学方法相比，多尺度建模方法可以通过对作物材料组分、湿度、多尺度结构等参数定量获取作物的茎倒伏性能，研究结果对于指导作物的育种育苗、施水施肥，生物定向培养具有指导意义。

针对经典细胞壁层合板模型对细胞壁分层结构描述的不准确以及木质素、纤维素和纤维素中结晶体和非结晶体对细胞壁干缩湿胀机理解释存在的分歧，本项目首先采用Halpin-Tsai方程、混合率法则等复合材料理论计算细胞壁成分、含量以及排列方向等因素对水稻细胞壁力学性能的影响，计算经典的9层层合板细胞壁模型与带中间层细胞壁模型的力学性能差异，并与实验做比较，发现带中间层的细胞壁模型能提高水稻茎秆弹性模量的预测精度，表明了细胞壁中间层模型在农作物茎秆弹性模量预测中的有效性。然后分别采用骨架化方法、基于面积权重的Voronoi重建算法以及优化距离权重镶嵌算法对玉米维管束结构以及水稻茎秆的拓扑结构进行重建，采用复合材料理论计算不同细胞壁亚层的材料性能，以此作为有限元模型中的层合板分层模型的输入参数，根据实际试验，对有限元模型进行轴向拉伸加载，计算其整体弹性模量，并与实验做比较，发现所采用的多尺度力学建模方法能精确预测农作物茎秆的宏观力学性能。最后利用所建立的多尺度模型，通过改变有限元拉伸方向研究水稻茎秆的各向异性弹性力学性能，改变不同尺度下的结构参数，主要包括表皮机械层组织和维管束组织的体积含量、纤维细胞和薄壁细胞的细胞壁厚度、细胞壁中S2层的体积含量，S2层中的纤维角度、细胞壁成分的体积含量和力学性能，进行参数化分析和敏感度分析，得出不同尺度下的变量对茎秆的各向异性材料属性的影响程度，进一步结合全微分方程可对不同品种水稻茎秆的各向异性弹性性能进行近似预测，由此建立了作物的多尺度结构参数与其茎秆弹性力学性能的精确数量关系。此外，根据水稻茎秆实验测得的轴向刚度梯度和长度梯度参数建立了其在风场载荷下的流固耦合模型，研究了不同风速下材料为近似刚体、各向同性柔性体和各向异性柔性体的水稻茎秆的动力学响应行为，发现其各向异性材料参数对风载卸载具有重要的贡献，提高了水稻茎秆的抗倒伏能力。