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1、土壤行为的离散元研究 摘要：离散元在探讨非连续物质上有着不行替代的优越性。本文介绍了离散元探讨土壤行为的意义、现状及存在的问题，重点探讨了离散元在土壤颗粒建模时模型的选择、改进及参数的选择，以期对后续的探讨有所帮助。 关键词：离散元；土壤行为；模型；参数 中图分类号：S151文献标识码： 离散元探讨土壤行为的概况 1.1离散元探讨土壤行为的意义 为了更好地利用土壤，解决机械作业问题1，运用局限于连续介质理论的土壤力学理论、边界元法及有限元法等方法来探讨土壤。与离散元法相比，这些方法不能很好地揭示土壤的非连续性。离散元法把土壤看成具有肯定形态和数量的颗粒，在相互接触的土壤颗粒间及土壤颗粒与机械部
2、件间建立相应的接触力学模型，进行时间步长迭代，再利用动态松弛法、中心差分法及牛顿其次定律来求解每个土壤颗粒的受力和运动。这样，不仅可以分析土壤颗粒的运动及破坏过程，还可以分析土壤颗粒与机械部件的相互作用2，进而优化设计机械部件。 1.2土壤行为的离散元探讨现状及存在的问题 迄今为止，已有不少学者致力于离散元在土壤行为方面的探讨。11016年Thnaka用离散元模拟金属棒插入土壤，依据土壤的变形和阻力提出了离散元模拟土壤的优越性。分别对松土机松土和深松铲铲土过程进行了离散元模拟，指出机械作用于土壤时，土壤存在破裂，并算出了导致这种破裂的拉伸弹性力，认为改进的离散元能更好地模拟土壤行为3。2000
3、年Cleary用二维圆盘、椭圆盘及矩形的离散元模型模拟了挖掘机铲斗桶形和抓料过程。2001年Horner用三维离散元模拟犁与土壤相互作用，得出定性而不定量的结果。2002年Hofstetter用三维离散元模拟，发觉推土机刀刃和土壤相互作用的水平方向与试验结果有良好的相关性。2003年Momozu用离散元对摆式铲旋转刀刃的切土过程进行了模拟。2022年Franco提出了如何确定粘性土壤离散元参数的方法。2022年Asaf用离散元模拟土壤链接相互作用时提出了难以确定特定土壤参数，他探讨出了反解技术与原位测试的方法来解决这个问题。2022年钱立彬通过离散元模拟开沟器，揭示了开沟器开沟过程阻力的改变。
4、2022年周解慧4用离散元模拟并建立了考虑级配的二维直剪模型，蒋明镜通过离散元双轴试验，探究了能源土宏观力学特性随反压的改变规律。 但是由于土壤结构困难，土壤颗粒离散元模型的建立还不完善，机械在土壤中运动的定性和定量分析还不非常准确，因此，土壤行为的离散元法还有待进一步探讨。 2土壤行为离散元模型探讨 2.1土壤颗粒离散元模型的建立 接触模型是离散元探讨的核心，常见的种类有：线性和非线性粘弹性模型、Hertz粘弹性模型、湿颗粒模型等。物质不同，选用的接触模型不同。完全干颗粒具有刚性、不能拉伸、形变较小等特点，适合用线性和非线性粘弹性模型、Hertz模型。而对于土壤来说，虽然椭圆、椭球、超圆、超
5、球与土壤颗粒接近，但是其接触算法困难；而多边形或多面体不能很好地模拟沙土，所以选择圆盘或球体来模拟土壤颗粒。又由于土壤中含有水分，土壤颗粒间存在肯定的粘性，因此采纳湿颗粒模型比较接近实际。 在探讨土壤方面，建立的传统离散元模型如图1所示： 由于粘湿土壤颗粒来说，土壤颗粒间存在液桥力和粘附力。因此，在离散元探讨土壤行为时须要把液桥力和粘附力加到模型中如图2和图3所示： 2.2土壤行为离散元参数的选择 土壤行为离散元参数主要包括土壤颗粒的数量、结构形态、分布等，土壤颗粒接触模型的法向和切向刚度、弹性模量、泊松比、时间步长等。 一般来说，土壤颗粒过少，在离散元软件模拟时几何体生成的土壤厚度小，对于探
6、讨某些特定的机械来说，不符合要求。如深松铲，至少生成的土壤厚度应使深松铲能有松土的效果；颗粒数量过多，加大了软件运行任务，比较费时。土壤颗粒结构大小的选择应视实际状况而定，一般选取半径为0.31mm之间，采纳匀称分布的方式生成。对于法向刚度和切向刚度可以现场测试或参照文献获得。时间步长过大不能更好地接近实际，也不便于视察；过小，计算机运行慢，效率低6。 3土壤行为的离散元模拟及其分析 首先，须要依据土壤的不同含水量，将要探讨的农机具用CAD或Proe等软件绘制出来，并将其导入离散元软件中。然后，按本文所述方法选择合理的模型、参数，从而模拟机具的运动状况。最终，依据模拟结果，找到不同表面形态的农
7、机具在进入土壤不同的角度、深度、行走速度下受力大小、位置等，进而改进、优化设计农机具。 4结语 本文从理论上对离散元模拟土壤行为方面进行了概括介绍，分析了传统的散元模型没有考虑机械在土壤中运动时土壤的变形、破坏等，不能更好地接近实际。提出了实际中不能忽视造成土壤拉伸或断裂破裂的法向模量增量。此外，提出了应当考虑粘湿土壤的粘结力及液桥力，并将这两种力也加到土壤行为的离散元模型中。至于如何将以上理论用于实际，指出该理论与实际是否相符，模拟并改进某种农机具是下一步工作的重点。 参考文献 1徐永，李艳洁，李红艳离散元法在农业机械化中应用评述J农机化探讨，2004：2630 2郭志军，周志立，张毅，等土
8、壤耕作部件仿生优化设计探讨J技术科学，2022，39：730738 3Tanaka，KojiInooku，OsamuSumikawa，etalSimulationofsoilbehavioratsubsoilingbythedistinctelementmethodProceedingsofthe6thAsia-PacificConferenceoftheInternationalSocietyforTerrain-VehicleSystems，Bangkok，Thailand，2001：194200 4周解慧，冯春辉粗粒土大型直剪试验的二维离散元模拟J土工基础，2022，26：6973 5MJAdams，VPerchardThecohesiveforcesbetweenparticleswithinterstitialfluidInstChemEngSymp11015：147160 6周先齐，徐卫亚，钮新强，等离散单元法探讨进展及应用综述岩土力学J，2022，28：408416 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页