土壤行为的离散元研究

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离散元法在农业工程研究中的应用现状和展望

2、案例二：节水灌溉的模拟
利用离散元法对节水灌溉进行模拟，可以研究不同灌溉方式对土壤水分分布的影响，为提高灌溉效率和节约水资源提供支持。该案例中，离散元模型设定了土壤和水分之间的相互作用关系，通过模拟水分在土壤中的流动和分布情况，发现滴灌和喷灌等节水灌溉方式能够有效改善水分分布不均的问题。
四、离散元法在农业工程研究中的应用方法
1、原理
离散元法的原理是基于牛顿第二定律和胡克定律，通过计算每个离散单元的力和位移，实现对整个系统的模拟。同时，离散元法还采用接触模型来描述单元之间的相互作用。
2、算法
离散元法的算法主要包括三个步骤：初始化、迭代计算和结果输出。初始化阶段主要设定离散单元的物理属性和初始位置，迭代计算阶段通过力和位移的更新实现模拟过程的进行，结果输出阶段将模拟结果进行可视化或数据分析。
1、土壤力学
离散元法在土壤力学领域的应用主要集中在土壤断裂、土壤沉降等方面。通过对土壤颗粒的相互作用进行分析，可以研究不同耕作方式对土壤结构的影响，为农业生产提供指导。
2、农业机械设计
在农业机械设计中，离散元法可以用来模拟机器的工作过程，研究机器与土壤之间的相互作用机制，为机器的设计和优化提供依据。例如，通过离散元法模拟犁地的过程，可以分析犁地的效果和能耗，优化犁的设计。
3、应用实践
离散元法的应用实践需要结合具体的研究问题进行调整和实施。例如，针对立相应的离散元模型进行模拟和分析。
五、离散元法在农业工程研究中的具体应用案例及分析
1、案例一：土壤断裂的模拟
利用离散元法对土壤断裂进行模拟，可以较好地模拟土壤的断裂行为，分析不同耕作方式对土壤结构的影响，为农业生产中的土壤保护提供指导。该案例中，离散元模型设定了土壤颗粒的物理属性，通过模拟土壤在不同耕作方式下的应力分布和裂缝发展，发现耕作方式对土壤断裂有着重要影响。

离散元法在环境工程中的应用研究

离散元法在环境工程中的应用研究离散元法（DEM）是一种基于颗粒动力学理论的数值模拟方法，广泛应用于材料科学、工程学和环境科学等领域。

环境工程是DEM的重要应用领域之一，其应用范围涵盖了气候变化、土壤侵蚀、水文循环、环境污染等诸多方面。

本文旨在介绍离散元法在环境工程中的应用研究进展，重点阐述其在土壤侵蚀和环境污染方面的应用。

一、离散元法简介离散元法是一种用于模拟颗粒物运动和碰撞的数值模拟方法，其基础理论是颗粒动力学。

颗粒动力学认为颗粒物之间的相互作用是通过弹性碰撞和接触力传递完成的。

在DEM中，将颗粒物看做是一个个离散的、有质量的球体，利用新ton运动定律和Hertz接触理论进行计算。

通过求解每个颗粒的位置、速度和运动轨迹，可以模拟颗粒物在复杂环境下的运动和相互作用。

二、离散元法在土壤侵蚀中的应用土壤侵蚀是环境工程领域的重要问题之一，传统的土壤侵蚀模拟方法往往是基于统计和经验公式的，难以考虑土壤侵蚀过程中复杂的力学和物理过程。

离散元法由于其能够模拟颗粒物间的相互作用，因此对于土壤颗粒运动规律的研究具有很好的优势。

通过离散元法的模拟，可以研究土壤颗粒在不同水流速度和坡度下的运动轨迹和运动速度，分析侵蚀的机理和影响因素。

研究表明，在不同坡度下，土壤颗粒的平均运动速度随坡度的增加而增加，在相同的坡度下，较粗的颗粒运动速度更大。

此外，还可以研究水流对土壤颗粒的冲击力和承载力，探讨土壤颗粒的抗侵蚀能力，为制定有效的土壤侵蚀防治措施提供理论基础。

三、离散元法在环境污染中的应用除了在土壤侵蚀中的应用，离散元法在环境污染方面也有广泛的应用。

环境污染问题具有多样化的特点，如工业废水、废气、垃圾等的污染对环境的影响是多方面的，使用离散元法可以较好地揭示其中的物理和力学机制。

在废水处理中，使用显微粒子和粉末采集器收集沉淀物样本，对沉淀物样本进行细致的分析和实验研究，运用离散元法对沉淀物样本进行三维模拟，并研究随时间变化的沉淀物质量、颗粒物尺寸、颗粒物形状、流体动力学等问题。

离散元原理及应用

离散元原理及应用离散元（Discrete Element Method，DEM）是一种基于颗粒间相互作用力的数值模拟方法，用于研究颗粒体系的力学行为。

离散元原理是以颗粒为基本单元，通过模拟颗粒之间的相互作用力，来揭示颗粒体系的宏观力学行为，以及颗粒体系的微观行为。

离散元原理的核心思想是将连续体离散化，将颗粒看作是离散的个体，通过颗粒之间的相互作用来模拟颗粒体系的宏观行为。

离散元方法的步骤可以简单概括为：1. 确定颗粒的形状和大小。

颗粒可以是圆球形、多边形或其他形状，其大小决定了颗粒之间的相对位置。

2. 建立颗粒之间的相互作用力模型。

常用的力模型有弹簧-颗粒模型、弹簧-弹簧模型和接触力模型等。

这些力模型可以描述颗粒之间的接触力、摩擦力和弹性力等。

3. 计算颗粒之间的相互作用力。

通过根据力模型计算颗粒之间的相互作用力，然后将这些力应用于相应的颗粒上。

4. 更新颗粒的位置和速度。

根据颗粒之间的相互作用力，可以计算出颗粒的受力情况，并据此更新颗粒的位置和速度。

5. 重复以上步骤。

通过不断重复计算颗粒之间的相互作用力、更新颗粒的位置和速度，可以模拟整个颗粒体系的力学行为。

离散元方法在工程领域有着广泛的应用。

以下是离散元方法在几个典型应用领域的介绍：1. 地震工程：离散元方法可以用于模拟土地结构在地震作用下的行为。

通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究土壤内的颗粒位移、应力分布以及土体的破坏机理等，从而为地震工程提供可靠的设计依据。

2. 岩土工程：离散元方法可以用于模拟岩土体的力学行为。

通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究土体的压缩、剪切和断裂等行为，从而为岩土工程提供精确的预测和分析。

3. 煤矿工程：离散元方法可以用于模拟煤矿岩石的力学行为。

通过模拟颗粒之间的相互作用力，可以研究岩石的破碎、抗压性能以及岩层的稳定性等，从而为煤矿工程的安全评估和设计提供依据。

4. 粉体工程：离散元方法可以用于模拟颗粒材料的力学行为。

推土板切土角对干土壤动态行为影响的离散元模拟

第37卷第4期吉林大学学报(工学版)Vol.37 No.42007年7月Journal o f Jilin U niv ersity (Engineering and T echnolo gy Edition)July 2007收稿日期:2006-07-04.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175045);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050183015).作者简介:张锐(1975-),男,讲师,博士.研究方向:数值计算.E -mail:zhang rui@推土板切土角对干土壤动态行为影响的离散元模拟张锐1,2,李建桥1,许述财1,李因武1(1.吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,长春130022; 2.中国科学技术大学力学和机械工程系,合肥230027)摘要:根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对不同切土角推土板前端干土壤的动态行为进行了离散元模拟。

准确再现了实验室实验中切土角对板面前端干土壤动态行为影响的定性和定量结果,并通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了干土壤宏观形态的变化规律和影响因素。

关键词:农业工程;土壤动态行为;离散单元法;宏细观模拟;推土板切土角中图分类号:S152.9 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2007)04-0822-06Simulation on dynamic behavior of dry soil ahead of the bulldozingplate with different cutting angles by DEMZhang Rui1,2,Li Jian -qiao 1,Xu Shu -cai 1,Li Yin -w u1(1.K ey L abor atory o f T er r ain -machine Bionics E ngineer ing ,M inistr y of Education,J ilin Univ er sity ,Changchun 130022,China;2.Dep ar tment of M oder n M echanics ,Univ er s ity of Science and T echnology of China,H ef ei 230027,China)Abstract:The nonlinear mechanical mo del of contact between soil particles was established based on the effects of liquid bridges on mechanical microstructure o f so il and the basic Distinct Elem entMetho d (DEM )theory.The dy namic behav io rs o f dry soil ahead of the bulldozing plate w ith different cutting ang les w ere sim ulated by DEM.The DEM sim ulations reappear the qualitative and the quantitative results by laboratory test accur ately.M oreover,the m esocopic analy ses by DEM ex plain the variational laws and the influence facto rs of dy namic macro sco pic config urations of dry soil through soil particles mo tion in soil bo dy.Key words:agr icultural eng ineering ;dy nam ic behavior o f soil;Distinct E lem ent Method (DEM );macro scopic and m esoscopic simulatio n;cutting ang le of the bulldozing plate 土壤行为变化过程直接受到外力作用方式的影响,因此研究土壤动态行为变化规律及其影响因素对于优化触土部件结构、改善其工作方式,从而提高地面机械的作业效率并降低能耗具有重要意义。

基于离散元法的土壤力学模拟与分析

基于离散元法的土壤力学模拟与分析土壤力学是研究土壤在外部荷载作用下的力学行为的学科。

近年来，随着计算机技术的发展，基于离散元法的土壤力学模拟与分析成为了研究土壤力学行为的重要方法之一。

本文将重点介绍离散元法在土壤力学模拟与分析中的应用。

离散元法是一种将物质系统离散成为多个互相作用的颗粒元素，通过模拟这些颗粒元素之间的相互作用来研究物质的力学行为的方法。

在土壤力学中，土壤可以看作是由颗粒元素组成的颗粒系统，颗粒之间的相互作用包括颗粒之间的接触力、摩擦力和滚动力等。

通过离散元法，可以对土壤力学行为进行详细的模拟分析，从而为土壤工程设计提供可靠的依据与参考。

首先，离散元法可以用于模拟土壤力学中的多颗粒系统。

土壤由颗粒元素组成，这些颗粒之间的接触力和摩擦力是土壤力学行为的主要影响因素之一。

通过离散元法，可以将土壤的颗粒元素离散为多个刚体颗粒，通过模拟这些颗粒之间的相互作用来研究土壤力学行为。

通过对颗粒之间的接触力和摩擦力的模拟，可以得到土壤的应力分布、变形特征等关键参数，为土壤工程设计提供依据。

其次，离散元法可以用于模拟土壤的局部破坏与失稳现象。

在土壤工程中，局部破坏与失稳是重要的问题之一。

通过离散元法，可以模拟出土壤颗粒的破裂与失稳过程，进而研究土壤的破坏机理与失稳机制。

通过模拟土壤的局部破坏与失稳现象，可以提前预测土壤的失稳风险，为土壤工程的设计与施工提供科学依据。

此外，离散元法还可以用于模拟土壤的动力响应与振动特性。

在震动环境下，土壤的动力响应与振动特性对土壤工程的稳定性和安全性具有重要影响。

通过离散元法，可以模拟土壤颗粒在动力荷载下的振动行为，研究土壤的动力响应与振动特性。

通过模拟土壤的动力响应与振动特性，可以评估土壤工程在地震等动力荷载下的稳定性，为土壤工程的设计与抗震防灾提供可靠的依据。

最后，离散元法还可以用于模拟土壤的渗流行为与孔隙水压力分布。

在水文地质工程中，土壤的渗透性是重要的土壤力学参数之一。

基于离散元法的土体力学研究

基于离散元法的土体力学研究离散元法是一种基于颗粒间相互作用的数值模拟方法，在土力学领域中得到了广泛的应用。

该方法将土体离散为一些小颗粒，通过建立颗粒之间的互作用模型，分析土体的应力与变形关系，探究土体力学行为的本质。

一、离散元法的原理离散元法的核心思想是将复杂的体系离散为一些小的颗粒，通过计算这些颗粒间的相互作用来分析体系的力学行为。

离散元法体系中的颗粒通常是不规则的，且可以代表不同的颗粒类型，比如砂粒、土粒、水分子等等。

在离散元法计算中，对于每个颗粒，需要考虑它周围的颗粒所产生的力和力矩。

颗粒之间力的引入可以通过施加排斥力来模拟，其大小与颗粒之间的距离和接触面积成正比。

此外，还需要考虑颗粒的形变、滑动以及受到外力所产生的影响。

最终，通过计算颗粒之间的力和力矩，可以得到土体在受到外力作用下的变形情况。

通过模拟不同的加载条件和实验情况，可以得到土体在不同条件下的应变应力关系，进而推断土体本身的力学特性和行为。

二、离散元法在土力学中的应用离散元法在土力学领域中的应用非常广泛。

比如，研究土体在不同加载条件下的应力应变关系，预测土体的破坏模式和强度；探究土体的流变特性，分析土体的变形过程和变形机理等等。

以下是离散元法在土力学中的一些典型应用。

1.研究土体的压缩性离散元法可以用来研究土体在不同压缩条件下的变形规律。

通过模拟相对密度、应力等参数的变化，可以揭示土体在受到不同压力时的弹性和塑性挥发特性。

对于这类问题的研究有助于我们理解土体的细观行为与力学本质，为相应地设计土工工程提供参考。

2.分析土体的断裂行为通过离散元法可以模拟土体局部破裂过程，进而得到土体的断裂模式与强度特性。

比如，模拟局部断裂，在分析土体的残余强度时，通过直接揭示颗粒的破碎行为，可以精准的预测土壤的承载力，为实际土工工程提供科学依据。

3.探究土体颗粒间作用特性离散元法可以对不同颗粒性质与外部环境变化下的互作用进行模拟，为理解土体颗粒类行为提供重要依据。

月壤静力学特性的离散元模拟

第38卷第2期吉林大学学报(工学版)Vol.38 No.22008年3月Jour nal of Jilin U niversity (Eng ineer ing and T echnolog y Editio n)M ar.2008收稿日期:2007-05-10.基金项目:教育部科学技术研究重点项目(107035);吉林大学/985工程0项目.作者简介:邹猛(1978-),男,博士研究生.研究方向:车辆地面力学.E -mail:zoumeng 0001@通讯联系人:李建桥(1953-),男,教授,博士生导师.研究方向:地面机械仿生及控制.E -mail:jqli@月壤静力学特性的离散元模拟邹猛1,李建桥1,贾阳2,任露泉1,李因武1(1.吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,长春130022; 2.中国空间技术研究院,北京100094)摘要:以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D 对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。

通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。

最后,计算出了月壤的变形模量K 为1635kN/m n +2、变形指数n 为1.22,剪切变形模量k 为1.35cm 。

结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。

关键词:农业工程;月壤;剪切特性;承压特性;PFC3D中图分类号:S152.9;T P391 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2008)02-0383-05Statics characteristics of lunar soil by DEM simulationZou M eng 1,Li Jian -qiao 1,Jia Yang 2,Ren Lu -quan 1,Li Yin -w u 1(1.K ey Labor ator y of T er r ain -machine Bionics E ngineer ing,M inis tr y of Ed ucation ,J ilin Univer sity ,Changchun 130022,China;2.China A cademy of Sp ace T echnology ,B eij ing 100094,China)Abstract:According to its physical m echanics properties,the statics char acteristic o f lunar soil is studied using DEM softw are PFC3D.T he DEM contacting m echanics mo del o f lunar soil w as built by triax -test to adjust the particle m icro par am eters.T he pressure -sinkag e m odel and shear mo del o f the lunar ro ver passing on lunar surface w er e descr ibed.Then the plate -sinkag e -test w as sim ulated to obtain the relationship betw een load and sinkage;and the shear -test w as simulated to obtain the relatio nship betw een shear and displacement.Finally the terra -m echanics parameters of the lunar soil w ere calculated as:the deformation modulus K =1635kN/m n +2,the sinkag e ex ponent n =1.22and the shearing strength displacement m odulus k =1.35cm.These values o btained by DEM simulation ar e close to that obtained by prediction model.Key words:ag ricultur al engineering;lunar so il;shear char acteristics;pressure -sinkage characteristics;PFC3D深空探测车辆是各种探测仪器的载体,最基本的要求是能够具有在未知的复杂路面行走的能力,以满足科学探测考察的需要[1]。

月壤的钻取采样离散元动态行为研究

第２Ｏ卷第６期２０１３年１２月
ＥＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆ
工程设计学报
Ｖｏｌ＿２ＯＮｏ．６
Ｄｅｃ．２Ｏ１３
．
ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｌｕｎａｒｓｏｉｌｍｏｄａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＰＦＣ３Ｄｗａｓｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔｅｐ，ｔｈｅｎｗｅｄｅｆｉｎｅｄｔｈｅｌｕｎａｒｓｏｉｌ ’ Ｓｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｂｙｇｉｖｉｎｇｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
关键词：模拟月壤；钻取；离散元；钻机与月壤相互作用
中图分类号：ＴＨ１２３．】文献标志码：Ａ文章编号：１００６７５４Ｘ（２０１３）０６ — ０４７６ — ０６
ＤｙｎａｍｉｃａｌｌｙｂｅｈａｖｉｏｒａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇｂｙＤＥＭ
摘
一
要：月壤为离散介质，其力学行为不仅受外部因素影响，而且受月壤颗粒形状之间相互作用和约束因素影响，般连续介质力学难以模拟其力学特性，而离散元法作为一种分析离散介质的数值方法，可用来模拟器具与月壤

离散元法

离散元法在工农业生产中，大量存在着散粒物料（如颗粒农产品、颗粒药品、土壤和煤炭等）与机械部件的接触作用及散粒物料的流动过程。

自然界中也存在着大量的散粒物料，传统采用连续介质力学方法研究散粒物料与相关机械部件之间的相互作用，只能把散粒群体作为一个整体来考虑，无法分析散粒群体中每个颗粒的运动过程和颗粒之间的相互作用，因而不能很好的解决该问题。

目前进行相关机械部件设计时，大都依靠经验或试验方法，既费时费力又得不到理想的设计效果。

据估计仅由散粒物料输送所造成的相关设备利用损失就达40%，远末达到优化设计和节省能源的要求。

为了节省机械动力消耗，减少散粒物料流动过程中不必要的损伤，必须考虑散粒物料与机械部件的接触作用及散粒群体动力新问题。

一、离散元法的含义20世纪70年代，Cundall提出离散元法，其基本思想是把散粒群体简化成具有一定形状和质量颗粒的集合，赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界间某种接触力学模型和模型中的参数，以考虑散粒之间及散粒与边界间的接触作用和散粒体与边界的不同物理机械性质。

二、离散元法的特点离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代求解每个颗粒的运动和位移，因而特别适合于求解非线性问题。

当采用不同力学模型时，还可以分析散粒结块、整体材料的破坏过程（如粉碎和切断等）、多相流动甚至可以包括化学反应和传热的问题。

通过改变颗粒和边界的离散元法分析模型、接触力学模型及参数，还可以分析不同散粒物料与不同边界的接触作用及其对散粒物料运动的影响。

正是由于诸多优点，使得离散元法已成为研究散粒群体动力学问题的一种通用方法，并在岩土工程和风沙流动，散粒材料的运输、混合、分级，颗粒的结块与冲击碰撞；土壤与机械的相互作用；化工过程装备和矿山装备等研究领域得到广泛应用。

三、离散元法的目前研究和应用状况离散元法是解决散体问题的重要数值方法。

离散元法是分析和处理岩土工程问题的不可缺少的方法。

在粉体工程方面，它涉及粉末加工、研磨技术、混合搅拌等工业加工和粮食等颗粒散体的储藏和运输等生产实践。

离散元法及其在岩土工程中的应用综述_王卫华

文章编号:1007-2993(2005)04-0177-05离散元法及其在岩土工程中的应用综述王卫华　李夕兵(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙　410083) 【摘　要】　离散元法是基于不连续性假设的数值方法,它特别适合于求解节理岩体中的非连续性问题。

在介绍离散元法基本原理的基础上,着重对离散元法在岩土工程领域的应用现状作了叙述和分析,并对其发展趋势进行了探讨。

【关键词】　离散元法;岩土工程;数值方法【中图分类号】　T B 115A Review on Fundamentals of Distinct Element Methodand Its Applications in Geotechnical EngineeringWang Weihua Li Xibing(School of Resources and Safe ty Engineering ,Central South U niversity ,Changsha Hunan 410083China )【Abstract 】　The Distinct Element M ethod (DEM )is a discontinuum -based numerical method especially applicable to solve the discontinuity problems in jointed rock mass .Firstly the fundamentals of DEM are introduced ,and then its applications in geo -technical engineering are summarzied emphatically ,and finally the development trends of DEM are discussed .【Key Words 】　Distinct Element M ethod ;geo -technical eng ineering ;numerical method0　引　言岩体是一种具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的天然地质体[1～3]。

离散元法

离散元法在工农业生产中，大量存在着散粒物料（如颗粒农产品、颗粒药品、土壤和煤炭等）与机械部件的接触作用及散粒物料的流动过程。

目前进行相关机械部件设计时，大都依靠经验或试验方法，既费时费力又得不到理想的设计效果。

据估计仅由散粒物料输送所造成的相关设备利用损失就达40%，远末达到优化设计和节省能源的要求。

为了节省机械动力消耗，减少散粒物料流动过程中不必要的损伤，必须考虑散粒物料与机械部件的接触作用及散粒群体动力新问题。

二、离散元法的特点离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代求解每个颗粒的运动和位移，因而特别适合于求解非线性问题。

当采用不同力学模型时，还可以分析散粒结块、整体材料的破坏过程（如粉碎和切断等）、多相流动甚至可以包括化学反应和传热的问题。

通过改变颗粒和边界的离散元法分析模型、接触力学模型及参数，还可以分析不同散粒物料与不同边界的接触作用及其对散粒物料运动的影响。

三、离散元法的目前研究和应用状况离散元法是解决散体问题的重要数值方法。

离散元法是分析和处理岩土工程问题的不可缺少的方法。

在粉体工程方面，它涉及粉末加工、研磨技术、混合搅拌等工业加工和粮食等颗粒散体的储藏和运输等生产实践。

非饱和土力学行为的三维离散元分析

非饱和土力学行为的三维离散元分析非饱和土力学行为的三维离散元分析摘要：非饱和土力学行为是岩土工程领域的一个重要课题，对于土壤的稳定性和工程设计起着关键作用。

离散元方法是一种能够描述复杂力学行为的数值模拟方法，广泛应用于岩土工程中。

本文主要研究了非饱和土力学行为的三维离散元分析，探讨了该方法在理论和实践中的应用。

1. 引言在岩土工程中，非饱和土指的是土壤中同时存在水分和空气的状态。

由于非饱和土的特殊性质，其力学行为与饱和土不同。

非饱和土作为一种复杂的多相材料，其力学性质受到水分状况的影响非常大。

因此，研究非饱和土的力学行为对于岩土工程的设计与分析具有重要的理论和实际意义。

2. 离散元方法离散元方法是一种能够描述材料微观结构和宏观力学行为的数值模拟方法。

其核心思想是将连续介质离散为许多小颗粒，在每个颗粒上施加力，通过求解运动和位移方程来模拟材料的变形和破坏过程。

离散元方法具有考虑材料微观结构的优势，能够较好地模拟岩土材料的非线性和非饱和的力学行为。

3. 非饱和土力学行为的三维离散元模型在三维离散元模型中，非饱和土被表示为由颗粒和孔隙水组成的系统。

颗粒以离散的形式存在于模型中，并通过弹簧和阻尼器模拟颗粒之间的相互作用力。

孔隙水则通过流体动力学的方法进行模拟。

在模拟过程中，土体的应力变化和孔隙水的流动过程被同时考虑。

4. 非饱和土力学行为的三维离散元分析三维离散元分析可以用于研究非饱和土在不同工况下的力学行为。

通过变化模型中的水分含量、应力状态和加载方式等参数，可以模拟土体的各种力学行为，如压缩、剪切和液化等。

通过对比实验室试验结果和数值模拟结果，可以验证离散元模型的可靠性和准确性。

5. 应用案例将该方法应用于某坝体的稳定性分析。

通过构建离散元模型，模拟了坝体在受到水位上升和不同荷载作用下的应力变化和变形过程。

结果表明，在考虑非饱和土力学行为的情况下，模型能够较为准确地预测坝体的稳定性，并给出合理的防护措施。

离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究

离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究庞靖１，２，林晓君１，陈松涛３，耿令新１，周浩１，金鑫１，２㊀（１．河南科技大学农业装备工程学院，河南洛阳４７１００３；２．河南省机械装备先进创造协同中心，河南洛阳４７１００３；３．潍柴动力股份有限公司，山东潍坊２６１０００）摘要㊀［目的］针对离散元仿真软件涉及的土壤参数进行测量及标定㊂［方法］基于Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲ黏结模型，通过直接测量法测量土壤的固体密度㊁弹性模量和泊松比，并用堆积角和滑动摩擦角来标定土壤接触参数㊂通过中心组合试验，采用Ｄｅｓｉｇｎ－Ｅｘｐｅｒｔ８．０．６软件，以土壤休止角㊁土壤与６５Ｍｎ钢滑动摩擦角的仿真值与实测值的相对误差为优化目标进行回归分析㊂［结果］通过分析获得最优的离散元接触参数组合为土壤间恢复系数０．２８㊁静摩擦系数０．４９㊁滚动摩擦系数０．２４㊁土壤表面能０．０４Ｊ／ｍ２，土壤与６５Ｍｎ钢间恢复系数０．５９㊁静摩擦系数０．６７㊁滚动摩擦系数０．１３㊂在所测土壤参数及最优标定参数下，采用离散元仿真模拟探针入土行为，获得探针在８ｍｍ／ｓ的贯入速度下，贯入２０㊁４０㊁６０㊁８０和１００ｍｍ处仿真试验和土槽试验探针阻力相对误差分别为８．５９％㊁９．８８％㊁９．７２％㊁０．１５％㊁６．９８％，误差在可接受范围内㊂［结论］参数测量和标定方法准确可靠性，可为松软土壤的离散元仿真提供参考㊂关键词㊀离散元法；松软土壤；参数测量；参数标定；探针贯入中图分类号㊀Ｓ１５２．９㊀㊀文献标识码㊀Ａ㊀㊀文章编号㊀０５１７－６６１１（２０２３）１８－０００６－０６ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０５１７－６６１１．２０２３．１８．００２㊀㊀㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：ＳｔｕｄｙｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｏｆＳｏｉｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓＵｓｅｄｉｎＤｉｓｃｒｅｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄＰＡＮＧＪｉｎｇ１，２，ＬＩＮＸｉａｏ⁃ｊｕｎ１，ＣＨＥＮＳｏｎｇ⁃ｔａｏ３ｅｔａｌ㊀（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ４７１００３；２．ＨｅｎａｎＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＡｄｖａｎｃｅｄＣｒｅａｔｉｏｎＣｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ４７１００３；３．ＷｅｉｃｈａｉＰｏｗｅｒＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｅｉｆａｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６１０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀［Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ］Ｔｏｍｅａｓｕｒｅａｎｄｃａｌｉｂｒａｔｅｓｏｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．［Ｍｅｔｈｏｄ］ＢａｓｅｄｏｎＨｅｒｔｚＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲｂｏｎｄｍｏｄｅｌ，ｓｏｉｌｓｏｌｉｄｄｅｎｓｉｔｙ，ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄＰｏｉｓｓｏｎｓｒａｔｉｏｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｓｏｉｌｃｏｎｔａｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｂｙｓｔａｃｋｉｎｇａｎｇｌｅａｎｄｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅ．［Ｒｅｓｕｌｔ］Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔａｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔａｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｃｏｍｂｉ⁃ｎａｔｉｏｎａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｒｅｓｔｉｔｕｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓ０．２８，ｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｓｔａｔｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｗａｓ０．４９，ｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｒｏｌｌｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｗａｓ０．２４，ｔｈｅｓｏｉｌｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙｗａｓ０．０４Ｊ／ｍ２，ａｎｄｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｒｅｓｔｉｔｕｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌａｎｄ６５Ｍｎｓｔｅｅｌｉ１３１１０．５９，ｔｈｅｃｏｅｆｆｉ⁃ｃｉｅｎｔｏｆｓｔａｔｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｗａｓ０．６７，ｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｒｏｌｌｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｗａｓ０．１３．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｏｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｏｐｔｉ⁃ｍａｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｂｅｓｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｔｏｔｈｅｓｏｉｌ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｓｏｆｔｈｅｐｒｏｂｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｓｏｉｌｔａｎｋｔｅｓｔａｔ２０，４０，６０，８０ａｎｄ１００ｍｍｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｓｏｆ８ｍｍ／ｓｗｅｒｅ８．５９％，９．８８％，９．７２％，０．１５％ａｎｄ６．９８％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈａｃｃｅｐｔａｂｌｅｅｒｒｏｒｓ．［Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ］Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄｗａｓａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｓｏｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀Ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；Ｓｏｆｔｓｏｉｌ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｐｒｏｂｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ基金项目㊀国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＤ０７００３００）㊂作者简介㊀庞靖（１９７７），男，河南洛阳人，副教授，博士，从事农业装备作业环境与作业质量检测技术研究㊂收稿日期㊀２０２２－０９－０６；修回日期㊀２０２３－０２－２８㊀㊀我国农业土壤种类多样，在离散元仿真软件里要涉及很多土壤参数，而明确土壤参数是进行正确仿真的前提㊂部分科研工作者或学者没有合适的测量工具测量土壤参数，因此选择合适的土壤参数测量和标定方法可以有效解决这一问题㊂离散元是一种可以将介质整体视为若干颗粒单元集合的数值模拟方法［１］，在散落物料流动性㊁固体破碎及机器－土壤相互作用方面具有广泛应用［２－３］㊂由于土壤特性复杂，有限元土壤模型准确性不高，且只能模拟土壤破坏行为，无法模拟土壤运动过程［４］，而离散元可以解决散粒之间及边界间的接触作用，利用黏连颗粒模拟生成土壤团聚体，极大提高了土壤模型的准确性［５］㊂目前，土壤的本征参数如固体密度㊁剪切模量和泊松比等可以通过仪器进行测量，而接触参数难以通过常规测量方法获得，因此很多学者通过离散元对物料参数进行标定的方法获得，主要包括以堆积角和滑动摩擦角为指标的参数标定法㊂冯俊小等［６］㊁刘文政等［７］㊁郝建军等［８］㊁王黎明等［９］采用离散元法分别对秸秆㊁马铃薯㊁油葵籽㊁猪粪进行了分析和标定㊂孙景彬等［１０］以坡地黏壤土为研究对象，针对Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲＣｏｈｅｓｉｏｎ接触模型，以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值标定了土壤颗粒间接触参数，通过静摩擦㊁斜板及碰撞等试验得到了土壤与６５Ｍｎ钢之间静摩擦因数㊁滚动摩擦因数和恢复系数的范围；宋少龙等［１１］用Ｈｅｒｔｚ－Ｍｉｎｄｌｉｎ（ｎｏｓｌｉｐ）作为接触模型，通过土壤堆积和滑落试验标定土壤间和土壤与６５Ｍｎ钢间的系数；张晋［１２］用烘干法测土壤含水率，用筛分法测土壤质地，针对Ｈｅｒｔｚ－Ｍｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈｂｏｎｄｉｎｇ模型，测土壤堆积角和坚实度来标定土壤之间及土壤与其他部件间的参数㊂不同的物料以及不同的土壤接触参数都存在一定的差异，标定所用的接触模型不同得到的结果也会有差距，对于坚实度特别小的松软土壤如耕后土壤，上述研究结果已经不适用㊂为了提高离散元法针对松软土壤研究的适应性和准确性，该研究选用Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲ黏结模型作为土壤接触模型，对于该模型所涉及的土壤泊松比㊁固体密度㊁剪切模量进行参数测量；采用堆积角和滑动摩擦角试验方法，对土壤间及土壤与触土部件间的恢复系数㊁动静摩擦系数和土壤表面能进行参数标定及优化，在优化后的参数下建立土槽仿真模型，并进行贯入阻力的室内试验与仿真试验对比，验证所测参数和标定参数的准确性，为松软土壤的仿真参数设置㊀㊀㊀安徽农业科学，Ｊ．ＡｎｈｕｉＡｇｒｉｃ．Ｓｃｉ．２０２３，５１（１８）：６－１１提供参考㊂１㊀土壤本征参数测量该研究以河南孟津林沟村（３４ʎ３９ᶄ４７ᵡＮ㊁１１２ʎ２６ᶄ０４ᵡＥ）的土壤为试验对象，通过比重计法测量，得到土壤颗粒直径小于０．０１ｍｍ的占１１％，土壤颗粒直径在０．０１＜０．０５ｍｍ的为２８％，土壤颗粒直径在０．０５＜１．００ｍｍ的为４９％，ȡ１．００ｍｍ的为１２％，根据土壤质地分类表得到土壤质地为砂壤土㊂由于土壤泊松比㊁剪切模量等参数受土壤含水率的影响，因此该研究所测土壤均在含水率为（１５ʃ１）％的条件下测量，其他含水率下的测量方法与此相同㊂１．１㊀固体密度的测量㊀土壤密度分为固体密度和体积密度，体积密度含有孔隙和空气，与压实程度有关，而固体密度是土壤本身的密度，与压实和空气无关㊂仿真软件ＥＤＥＭ所涉及的土壤密度为固体密度，该研究通过体积置换法［１７］测量土壤的固体密度，如图１所示㊂图１㊀体积置换法Ｆｉｇ．１㊀Ｖｏｌｕｍｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ㊀㊀取少量土壤并将土壤充分烘干，得到土的质量（Ｍｓ）为１２３．２ｇ，所用容器的体积（Ｖｒ）为４００ｃｍ３㊂先将水注满容器，得到水的质量（Ｍｗ）为４１０ｇ，由此得到水的密度：ρｗ＝ＭｗＶｒ（１）式中：ρｗ为水的密度（ｇ／ｃｍ３）；Ｍｗ为注满水的质量（ｇ）；Ｖｒ为容器体积（ｃｍ３）㊂将烘干的土壤放入容器中，再将容器注满水，用水置换出烘干土壤中的间隙和空气㊂称量注满水后土壤颗粒与水的总质量（Ｍᵡ）为４８４ｇ，因此得到补充水的质量（总空隙充水质量）和体积：Ｍᶄｗ＝Ｍᵡ－Ｍｓ（２）Ｖᶄｗ＝Ｍᶄｗρｗ（３）式中：Ｍᶄｗ为补充水的质量（ｇ）；Ｍᵡ为土壤与水的总质量（ｇ）；Ｍｓ为土壤的质量（ｇ）；Ｖᶄｗ为补充水的体积（ｃｍ３）㊂恒容容器的总体积与补充水的体积之差得到土壤的体积和固体密度：Ｖｓ＝Ｖｒ－Ｖᶄｗ（４）ρｓ＝ＭｓＶｓ（５）式中：Ｖｓ为土壤体积（ｃｍ３）；ρｓ为土壤固体密度（ｇ／ｃｍ３）㊂土壤密度一般在２．６２．８ｇ／ｃｍ３［１３－１４］，将该试验所用土壤通过体积置换法得到土壤的固体密度为２．５６６ｇ／ｃｍ３，符合基本的土壤密度㊂１．２㊀泊松比㊀泊松比是反映材料横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，通过直接剪切试验（图２）可以测量土壤泊松比㊂图２㊀直剪试验Ｆｉｇ．２㊀Ｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔ通过绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线图，得到土壤的内摩擦角（ϕ）为２６ʎ，通过公式（６）和（７）得到土壤泊松比为０．３６㊂Ｋ＝１－ｓｉｎϕ（６）ｖ＝Ｋ１＋Ｋ（７）式中：Ｋ为土壤测压力系数；ϕ为土壤的内摩擦角（ʎ）；ｖ为土壤泊松比㊂１．３㊀弹性模量与剪切模量㊀弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力大小的标尺㊂试验时先将土壤做成标准大小的圆柱形土样，土样的直径（Ｄ）和高（Ｌ）均为５０ｍｍ，用万能试验机（ＤＮＳ０２－１ＫＷ）以１ｍｍ／ｓ的速度对土样施加载荷，并读取力（Ｆ）和变形（ΔＬ）的数据，直至土壤应力呈下降趋势达到压溃效果，共做５组试验，由公式（８）（１０）计算出土壤弹性模量的平均值为８ＭＰａ，并由公式（１１）得到土的剪切模量为２．９９ＭＰａ，试验过程如图３所示㊂ε＝ΔＬＬ（８）Ａ＝πＤ２æèçöø÷２（９）Ｅ＝ＦＡˑε（１０）Ｇ＝Ｅ２ˑ（１＋ｖ）（１１）式中：ΔＬ为土样受压后的变形量（ｍ）；Ｌ为土样原来高度（ｍ）；Ｄ为土样直径（ｍ）；Ａ为土样接触面积（ｍ２）；Ｆ为土样受到的轴向载荷（Ｎ）；Ｅ为弹性模量（Ｐａ）；Ｇ为剪切模量（Ｐａ）㊂图３㊀土样压溃试验Ｆｉｇ．３㊀Ｃｒｕｓｈｉｎｇｔｅｓｔｏｆｓｏｉｌｓａｍｐｌｅ７５１卷１８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀庞靖等㊀离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究２㊀土壤参数仿真标定２．１㊀土壤堆积试验㊀通过测量堆积角，可以用来标定土壤颗粒间的碰撞恢复系数㊁静摩擦系数㊁动摩擦系数和土壤表面能㊂采用漏斗测定土壤颗粒的堆积角，如图４所示，漏斗的出口直径为２７ｍｍ，出口距水平面的高度为７５ｍｍ，试验中对土壤颗粒进行５组试验，每组试验都从４个方向测量角度并求平均值，最后得到５组试验的平均值作为休止角，通过试验测得含水率为（１５ʃ１）％时土壤休止角为３６．４３ʎ㊂图４㊀堆积试验Ｆｉｇ．４㊀Ｓｔａｃｋｉｎｇｔｅｓｔ土壤颗粒直径大小不一，土壤粒径是非常小的，在仿真计算时土壤模型的尺寸一般会比真实的土壤颗粒大，根据工况可以将土壤粒径放大１０５０倍，在此设定土壤颗粒粒径在０．５１．５ｍｍ㊂通过文献［１５－１７］以及ＥＤＥＭ里的ＧＥＭＭＷｉｚａｒｄ材料库，设定土壤颗粒间的恢复系数Ａ（０．２０．６）㊁静摩擦系数Ｂ（０．３０．７）㊁动摩擦系数Ｃ（０．１０．４）㊁土壤表面能Ｄ（０．０２０．１０Ｊ／ｍ２）㊂最陡爬坡试验可以较快地确定因素最优值所在区间，由表１可知，随着参数的增大，堆积角呈增大趋势，２号水平最接近试验结果，因此选择１㊁２㊁３组试验所选的水平进行中心组合试验（ＣＣＤ）㊂试验因素和水平编码如表２所示，根据试验设计，确定编码系数γ为２，中心组合试验结果如表３所示，其中相对误差（δ）的计算方法由下式确定：δ＝ａ－ａ１ａˑ１００％（１２）式中：ａ为休止角的试验值；ａ１为休止角的仿真值；δ为相对误差㊂表１㊀最陡爬坡试验方案及结果Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔｅｅｐｅｓｔｃｌｉｍｂｉｎｇ试验序号ＴｅｓｔＮｏ．ＡＢＣＤＪ／ｍ２堆积角Ｓｔａｃｋｉｎｇａｎｇｌｅʊʎ１０．２０．３０．１０．０２１６．３９２０．３０．４０．２０．０４３４．４７３０．４０．５０．３０．０６４３．０３４０．５０．６０．４０．０８４９．１２５０．６０．７０．５０．１０５７．３１㊀㊀应用软件ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ８．０．６对试验结果进行分析，得到二次回归的模型㊂该二次回归模型的方差分析如表４所示，该回归模型Ｐ＜０．０００１，说明休止角相对误差与所得回归方程关系是十分显著，失拟项Ｐ＝０．４５２３＞０．０５，说明所得回归方程的非正常误差所占比例很小㊂该试验的相关系数（ｒ）为０．９９５７，因此所得回归方程可靠度较高㊂表２㊀中心组合试验因素水平编码Ｔａｂｌｅ２㊀Ｆａｃｔｏｒｌｅｖｅｌｃｏｄｉｎｇｏｆｃｅｎｔｒａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔ编码ＣｏｄｅＡＢＣＤʊＪ／ｍ２２０．４００．５００．３００．０６１０．３５０．４５０．２５０．０５００．３００．４００．２００．０４－１０．２５０．３５０．１５０．０３－２０．２００．３００．１００．０２表３㊀中心组合试验及结果Ｔａｂｌｅ３㊀Ｃｅｎｔｅｒｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｒｅｓｕｌｔｓ试验序号ＴｅｓｔＮｏ．ＡＢＣＤＪ／ｍ２相对误差（δ）ʊ％１０．２５０．３５０．１５０．０３２８．７４２０．３５０．３５０．１５０．０３２７．４８３０．２５０．４５０．１５０．０３２６．６５４０．３５０．４５０．１５０．０３２９．１８５０．２５０．３５０．２５０．０３－２．３６６０．３５０．３５０．２５０．０３－８．９９７０．２５０．４５０．２５０．０３－１．９９８０．３５０．４５０．２５０．０３－７．８４９０．２５０．３５０．１５０．０５２１．０７１００．３５０．３５０．１５０．０５２１．８５１１０．２５０．４５０．１５０．０５２４．１１１２０．３５０．４５０．１５０．０５２４．９２１３０．２５０．３５０．２５０．０５－４．３２１４０．３５０．３５０．２５０．０５－７．９１１５０．２５０．４５０．２５０．０５－５．８２１６０．３５０．４５０．２５０．０５－３．１２１７０．２００．４００．２００．０４７．０３１８０．４００．４００．２００．０４１０．５１１９０．３００．３００．２００．０４８．８５２００．３００．５００．２００．０４１１．６０２１０．３００．４００．１００．０４４７．９８２２０．３００．４００．３００．０４－１１．８３２３０．３００．４００．２００．０２１０．７９２４０．３００．４００．２００．０６３．１２２５０．３００．４００．２００．０４６．６８２６０．３００．４００．２００．０４７．７７２７０．３００．４００．２００．０４３．７１２８０．３００．４００．２００．０４６．１２２９０．３００．４００．２００．０４６．６４３００．３００．４００．２００．０４８．８７㊀㊀通过回归分析得到的误差回归方程为δ＝２３４．０３－１８２．４３Ａ－３４４．４２Ｂ－７０８．３５Ｃ－１４５４．７５Ｄ＋２７２．２５ＡＢ－４０５．７５ＡＣ＋１４８８．７５ＡＤ－２２．７５ＢＣ＋１０３３．７５ＢＤ＋２５１３．７５ＣＤ＋１５３．６３Ａ２＋２９９．１３Ｂ２＋１０８４．１２Ｃ２－６９６．８８Ｄ２８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀安徽农业科学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２３年表４㊀中心组合试验回归模型方差分析Ｔａｂｌｅ４㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｅｎｔｒａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔ方差来源Ｓｏｕｒｃｅｏｆｖａｒｉａｎｃｅ平方和ＳＳ自由度ＤＦ均方ＭＳＦ值ＦｖａｌｕｅＰ值Ｐｖａｌｕｅ模型Ｍｏｄｅｌ５９１８．７６１４４２２．７７１２４．７３＜０．０００１Ａ７．３７１７．３７２．１７０．１６１０Ｂ２１．７７１２１．７７６．４２０．０２２９Ｃ１３０．３３１１３０．３３３８．４５＜０．０００１Ｄ２１．９９１２１．９９６．４９０．０２２３ＡＢ７．４１１７．４１２．１９０．１５９９ＡＣ１６．４６１１６．４６４．８６０．０４３６ＡＤ８．８７１８．８７２．６２０．１２６７ＢＣ０．０５１０．０５０．０２０．９０３３ＢＤ４．２７１４．２７１．２６０．２７９１ＣＤ２５．２８１２５．２８７．４６０．０１５５Ａ２４．０５１４．０５１．１９０．２９１８Ｂ２１５．３４１１５．３４４．５３０．０５０４Ｃ２２０１．４８１２０１．４８５９．４４＜０．０００１Ｄ２０．１３１０．１３０．０４０．８４５５残差Ｒｅｓｉｄｕａｌ５０．８４１５３．３９失拟项Ｍｉｓｓｉｎｇｉｔｅｍ３５．７４１０３．５７１．１８０．４５２３㊀㊀应用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ８．０．６软件以休止角的相对误差为目标对回归方程求解寻优，得到土壤间相关系数（ｒ）的最优值，土壤－土壤恢复系数Ａ为０．２８，土壤－土壤静摩擦系数Ｂ为０．４９，土壤－土壤动摩擦系数Ｃ为０．２４，土壤表面能Ｄ为０．０４Ｊ／ｍ２㊂２．２㊀土壤滑落试验㊀通过土壤滑落试验（图５），测量滑动摩擦角可以标定土壤与触土部件的碰撞恢复系数㊁静摩擦系数和动摩擦系数㊂采用的钢板长２５０ｍｍ㊁宽１９０ｍｍ，在钢板一侧放置少量的土壤颗粒，斜面沿转轴缓慢旋转，当土壤由一侧滑落到另一侧时，测定土壤的滑动摩擦角㊂试验中进行５组试验，求平均值得到土壤滑动摩擦角为３２．６３ʎ㊂㊀㊀在仿真中为了平衡仿真时间仍将土壤颗粒半径设置为０．５１．５ｍｍ，根据文献［１８－２１］设定土壤与触土部件的恢复系数Ｅ（０．２０．６）㊁静摩擦系数Ｆ（０．３０．７）㊁动摩擦系数Ｇ（０．０１０．２０）㊂由表５可知，４号水平最接近试验结果，因此选择３㊁４㊁５组试验所选的水平进行中心组合试验（ＣＣＤ）㊂试验因素水平编码如表６所示，编码系数γ为１．６８２㊂图５㊀土壤滑落试验Ｆｉｇ．５㊀Ｓｏｉｌｓｌｉｄｉｎｇｔｅｓｔ表５㊀最陡爬坡试验方案及结果Ｔａｂｌｅ５㊀Ｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔｅｅｐｅｓｔｃｌｉｍｂｉｎｇ试验序号ＴｅｓｔＮｏ．ＥＦＧ滑动摩擦角Ｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅʊʎ１０．２０．３０．０１１９．４８２０．３０．４０．０６２３．７８３０．４０．５０．１１２８．３６４０．５０．６０．１６３２．０９５０．６０．７０．２１３７．５３㊀㊀中心组合试验结果如表７所示，其中相对误差（δ）的计算方法与休止角的计算方法一致㊂应用软件ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ８．０．６对试验结果进行分析，得到中心组合试验的回归模型㊂该回归模型的方差分析结果如表８所示，可以看出回归模型的Ｐ＜０．０００１，说明滑动摩擦角的相对误差与所得回归方程关系是显著的；失拟项Ｐ＝０．０６０２＞０．０５，说明所得回归方程的非正常误差所占比例很小㊂该试验的相关系数（ｒ）为０．９７９０，因此所得回归方程可靠度较高㊂㊀㊀通过回归分析得到的误差回归方程为δ＝５１．７８＋３９０．４８Ｅ－４２３．９７Ｆ＋１６９．９１Ｇ－２４１．６７ＥＦ－２４０．２８ＥＧ－３１２．５０ＦＧ－２０６．４４Ｅ２＋４２５．０６Ｆ２＋１３８．２４Ｇ２表６㊀中心组合试验因素水平编码Ｔａｂｌｅ６㊀Ｆａｃｔｏｒｌｅｖｅｌｃｏｄｉｎｇｏｆｃｅｎｔｒａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔ编码ＣｏｄｅＥＦＧ１．６８２０．６００．７００．２１１０．５６０．６６０．１９００．５００．６００．１６－１０．４４０．５４０．１３－１．６８２０．４００．５００．１１㊀㊀应用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ８．０．６软件以滑动摩擦角的相对误差为目标对回归方程求解寻优，得到土壤与钢的相关系数（ｒ）的最优值，土壤－６５Ｍｎ钢恢复系数Ｅ为０．５９，土壤－６５Ｍｎ钢静摩擦系数Ｆ为０．６７，土壤－６５Ｍｎ钢动摩擦系数Ｇ为０．１３㊂３㊀验证试验３．１㊀堆积角和滑动摩擦角验证试验㊀通过ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ８．０．６软件对土壤的接触参数及土壤与６５Ｍｎ钢的接触参数寻优，用最优结果进行仿真试验，通过５组重复的仿真试验，得到仿真值与实际值的对比，如表９所示㊂９５１卷１８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀庞靖等㊀离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究表７㊀中心组合试验及结果Ｔａｂｌｅ７㊀Ｃｅｎｔｅｒｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｒｅｓｕｌｔｓ试验序号ＴｅｓｔＮｏ．ＥＦＧ相对误差（δ）ʊ％１０．５６０．６６０．１９－５．８２２０．５６０．６６０．１３３．８６３０．５６０．５４０．１９６．９３４０．５６０．５４０．１３１２．１４５０．４４０．６６０．１９－２．７６６０．４４０．６６０．１３２．９７７０．４４０．５４０．１９４．２９８０．４４０．５４０．１３９．９９９０．４００．６００．１６１．６５１００．６００．６０．１６０．３７１１０．５００．５００．１６１７．４７１２０．５００．７００．１６－２．８２１３０．５００．６００．１１６．９３１４０．５００．６００．２１－０．０９１５０．５００．６００．１６４．７２１６０．５００．６００．１６２．５４１７０．５００．６００．１６２．５４１８０．５００．６００．１６３．４３１９０．５００．６００．１６２．５４２００．５００．６００．１６２．５４表８㊀中心组合试验回归模型方差分析Ｔａｂｌｅ８㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｅｎｔｒａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔ方差来源Ｓｏｕｒｃｅｏｆｖａｒｉａｎｃｅ平方和ＳＳ自由度ＤＦ均方ＭＳＦ值ＦｖａｌｕｅＰ值Ｐｖａｌｕｅ模型Ｍｏｄｅｌ５１１．０２９５６．７８２５．６１＜０．０００１Ｅ１５．２８１１５．２８６．８９０．０２５４Ｆ１５．８５１１５．８５７．１５０．０２３３Ｇ０．８８１０．８８０．４００．５４１７ＥＦ６．０６１６．０６２．７３０．１２９４ＥＧ１．５０１１．５００．６８０．４３０５ＦＧ２．５３１２．５３１．１４０．３１０４Ｅ２７．７５１７．７５３．５００．０９１１Ｆ２３２．８５１３２．８５１４．８２０．００３２Ｇ２０．２２１０．２２０．１００．７６０７残差Ｒｅｓｉｄｕａｌ２２．１７１０２．２２失拟项Ｍｉｓｓｉｎｇｉｔｅｍ１８．１９５３．６４４．５８０．０６０２表９㊀试验结果对比Ｔａｂｌｅ９㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ试验Ｔｅｓｔ堆积角Ｓｔａｃｋｉｎｇａｎｇｌｅʊʎ滑动摩擦角Ｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅʊʎ仿真试验Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ３５．８８３３．５３室内试验Ｉｎｄｏｏｒｔｅｓｔ３６．４３３２．６３相对误差Ｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒʊ％１．５１２．７３㊀㊀将仿真结果与实际堆积结果进行对比，如图６所示，结果显示优化后土壤的仿真堆积角与实际堆积角的角度差距较小，表明该组仿真设置有一定的准确性㊂３．２㊀探针贯入验证试验㊀为了进一步验证土壤参数的准确性，采用ＥＤＥＭ软件对探针贯入土壤过程进行仿真模拟，土壤颗粒半径仍设置为０．５１．５ｍｍ，土壤的接触模型为Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲ黏结模型，仿真参数设定以测量和标定结果为准，探针仿真模型采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件创建的．ｘ＿ｔ文件直接导入，土壤为直径８０ｍｍ㊁高１５０ｍｍ的圆柱形，设置探针入土深度为１００ｍｍ，入土速度为８ｍｍ／ｓ，仿真时间为１２．５ｓ，瑞丽时间步长为１０％㊂在所测土壤参数和最优标定参数组合下的探针贯入１㊁５和１０ｃｍ的试验过程如图７所示㊂从图７可以看出，随着探针入土深度的增加，土壤扰动范围增大，与孙文峰等［２２－２４］的研究结果相似㊂因为探针尖头部分直径大于探杆直径，因此土壤扰动区域基本分布在探针尖头部分㊂㊀㊀室内试验如图８所示，所用到的设备有万能试验机（ＤＮＳ０２－１ＫＷ）㊁探针（尖头最粗直径１４ｍｍ）㊁桶（直径８０ｍｍ，高度４００ｍｍ）㊂将含水率为（１５ʃ１）％的土壤装入桶内，装入深度为１５０ｍｍ，不经过压实作用，体积密度约为１．１５ｇ／ｃｍ３㊂利用万能试验机设置探针入土速度与仿真速度一致，在８ｍｍ／ｓ速度下贯入，贯入深度为１００ｍｍ，将探针的受力情况传到电脑存储，试验重复３次，分别记下探针入土深度为２０㊁４０㊁６０㊁８０和１００ｍｍ处的阻力值，最后取平均值为阻力值，试验结果见表１０所示㊂由表１０可知，随着探针入土深度的增加，探针阻力在逐渐增加，且仿真结果和室内试验结果的阻力增加幅度大致相同㊂图６㊀实际试验（ａ）和仿真试验（ｂ）对比Ｆｉｇ．６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｃｔｕａｌｔｅｓｔ（ａ）ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ（ｂ）４㊀结论（１）针对土壤的本征参数（固体密度㊁弹性模量㊁剪切模量和泊松比），用体积置换法㊁直剪试验和土样压溃试验直接测量得到㊂（２）针对土壤间的接触参数㊁表面能以及土壤与６５Ｍｎ钢的接触参数，采用ＥＤＥＭ软件进行土壤堆积仿真模拟和土壤在６５Ｍｎ钢板的滑落试验模拟㊂以堆积角和滑动摩擦角为指标，通过中心组合试验标定接触参数和表面能，获得土壤间的恢复系数０．２８㊁静摩擦系数０．４９㊁动摩擦系数０．２４和表面能０．０４Ｊ／ｍ２，土壤与６５Ｍｎ钢的恢复系数０．５９㊁静摩擦系数０１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀安徽农业科学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２３年０．６７㊁动摩擦系数０．１３㊂图７㊀探针贯入过程Ｆｉｇ．７㊀Ｐｒｏｂｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ图８㊀探针贯入室内试验Ｆｉｇ．８㊀Ｉｎｄｏｏｒｔｅｓｔｏｆｐｒｏｂｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ表１０㊀贯入试验验证结果Ｔａｂｌｅ１０㊀Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｅｓｔ深度Ｄｅｐｔｈｍｍ探针阻力ＰｒｏｂｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅʊＮ室内试验Ｉｎｄｏｏｒｔｅｓｔ仿真试验Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ相对误差Ｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒʊ％２０１．９８２．１５８．５９４０６．４８５．８４９．８８６０１０．０８９．１０９．７２８０１３．０５１３．０３０．１５１００１５．９１１７．０２６．９８㊀㊀（３）为验证土壤参数的准确性，分别对土壤堆积角和滑动摩擦角的实际试验与仿真试验进行对比，得到两者相对误差分别为１．５１％和２．７３％㊂在所测参数和标定最优参数组合下进行了探针贯入试验的仿真模拟和室内试验，获得探针在贯入深度为２０㊁４０㊁６０㊁８０和１００ｍｍ处的阻力相对误差分别为８．５９％㊁９．８８％㊁９．７２％㊁０．１５％㊁６．９８％，仿真试验与实际的探针贯入试验效果基本一致，证明了参数测量和标定方法的准确性㊂参考文献［１］谢方平，吴正阳，王修善，等．基于无侧限抗压强度试验的土壤离散元参数标定［Ｊ］．农业工程学报，２０２０，３６（１３）：３９－４７．［２］ＭＡＲＴＩＮＣＬ，ＢＯＵＶＡＲＤＤ，ＳＨＩＭＡＳ．ＳｔｕｄｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｐｏｗｄｅｒｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｂｙｔｈｅＤｉｓｃｒｅｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｐｈｙｓｉｃｓｏｆｓｏｌｉｄｓ，２００３，５１（４）：６６７－６９３．［３］ＳＷＥＩＪＥＮＴ，ＨＡＳＳＡＮＩＺＡＤＥＨＳＭ，ＡＳＬＡＮＮＥＪＡＤＨ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｈａｐｅｏｎｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｓｗｅｌｌｉｎｇｇｒａｎｕｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｓｐｈｅｒｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｏｗｄｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，３６０：１２９５－１３０４．［４］王宪良，胡红，王庆杰，等．基于离散元的土壤模型参数标定方法［Ｊ］．农业机械学报，２０１７，４８（１２）：７８－８５．［５］ＭＩＬＫＥＶＹＣＨＶ，ＭＵＮＫＨＯＬＭＬＪ，ＣＨＥＮＹ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｉｌｌａｇｅｕｓｉｎｇｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｓｏｉｌ＆ｔｉｌｌａｇｅｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１８，１８３：６０－７１．［６］冯俊小，林佳，李十中，等．秸秆固态发酵回转筒内颗粒混合状态离散元参数标定［Ｊ］．农业机械学报，２０１５，４６（３）：２０８－２１３．［７］刘文政，何进，李洪文，等．基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定［Ｊ］．农业机械学报，２０１８，４９（５）：１２５－１３５，１４２．［８］郝建军，魏文波，黄鹏程，等．油葵籽粒离散元参数标定与试验验证［Ｊ］．农业工程学报，２０２１，３７（１２）：３６－４４．［９］王黎明，范盛远，程红胜，等．基于ＥＤＥＭ的猪粪接触参数标定［Ｊ］．农业工程学报，２０２０，３６（１５）：９５－１０２．［１０］孙景彬，刘琪，杨福增，等．黄土高原坡地土壤与旋耕部件互作离散元仿真参数标定［Ｊ］．农业机械学报，２０２２，５３（１）：６３－７３．［１１］宋少龙，汤智辉，郑炫，等．新疆棉田耕后土壤模型离散元参数标定［Ｊ］．农业工程学报，２０２１，３７（２０）：６３－７０．［１２］张晋．旋耕机正转深旋节能技术研究［Ｄ］．北京：中国农业科学院，２０２１．［１３］马玉莹，雷廷武，庄晓晖．测量土壤颗粒密度的体积置换法［Ｊ］．农业工程学报，２０１４，３０（１５）：１３０－１３９．［１４］朱红区．免耕施肥播种机开沟工作部件仿真与试验研究［Ｄ］．广州：华南农业大学，２０１６．［１５］王金武，李响，高鹏翔，等．胡萝卜联合收获机高效减阻松土铲设计与试验［Ｊ］．农业机械学报，２０２０，５１（６）：９３－１０３．［１６］樊昱．基于离散元法的马铃薯挖掘机理研究及仿生铲设计［Ｄ］．沈阳：沈阳农业大学，２０２０．［１７］杜俊，张文良，祝英豪，等．基于离散元法的旋埋刀辊功率分配特性研究［Ｊ］．安徽农业大学学报，２０２０，４７（６）：１０３１－１０３７．［１８］胡建平，赵军，潘浩然，等．基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型［Ｊ］．农业机械学报，２０２０，５１（Ｓ１）：９－１６．［１９］颜丙新，武广伟，付卫强，等．基于ＥＤＥＭ的玉米精播高位投种着床位置影响因素研究［Ｊ］．农业机械学报，２０２０，５１（Ｓ２）：４７－５４．［２０］戴飞，宋学锋，赵武云，等．全膜双垄沟覆膜土壤离散元接触参数仿真标定［Ｊ］．农业机械学报，２０１９，５０（２）：４９－５６，７７．［２１］郭文松，贺小伟，王龙，等．梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制［Ｊ］．农业工程学报，２０２０，３６（１８）：１－１０．［２２］孙文峰，付天鹏，何跃，等．水田带状复式整地机关键部件设计与试验［Ｊ］．农业机械学报，２０２２，５３（１）：５０－６２．［２３］张智泓，甘帅汇，左国标，等．以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真［Ｊ］．农业机械学报，２０２１，５２（９）：３３－４２．［２４］于从羊．刀辊－麦秆－土壤多相耦合仿真模型构建及验证［Ｄ］．合肥：安徽农业大学，２０２１．１１５１卷１８期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀庞靖等㊀离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究。

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定
黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定的具体方法如下：
1.实验设计：根据混料比例、秸秆颗粒大小等因素确定试验参数，并设置一组初始参数进行离散元模拟。

2.实验测量：利用实验室仪器测量混料的基本性质，例如粒径分布、密度、摩擦系数、弹性模量等。

3.参数标定：根据实验测量结果，对离散元模型中的参数进行调整，直至模拟结果与实验结果相符，得到最佳参数值。

4.模型验证：采用其他试验数据对标定后的离散元模型进行验证，以验证其预测能力和适用范围。

需要注意的是，在进行离散元模型参数标定时，应该充分考虑不同因素之间的相互作用，如秸秆颗粒之间的摩擦力、粘接力等。

同时，应该选择合适的模型和优化方法，并进行模型的灵敏度分析和误差分析，以确定模型的可靠性和精度。

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》范文

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》篇一一、引言在岩土工程领域，三轴压缩试验是研究土体行为和性能的重要手段。

随着计算机技术的发展，数值模拟在三轴压缩试验中得到了广泛应用。

对于特殊条件下的土体，如冻结黏土，其独特的力学特性使其数值模拟尤为关键。

本文基于离散元法对冻结黏土的三轴压缩试验进行数值模拟，以期更好地理解其力学行为和变形机制。

二、离散元法简介离散元法是一种计算力学方法，它基于牛顿第二定律来描述每个离散单元的运动状态和相互作用。

该方法适用于处理具有明显颗粒特性的材料，如岩石、土壤等。

在离散元法中，每个单元都具有独立的空间位置和运动状态，可以有效地模拟土体的力学行为和变形机制。

三、冻结黏土的三轴压缩试验数值模拟1. 模型建立本研究的数值模拟基于离散元法建立三维模型。

模型中，冻结黏土被离散为一系列的颗粒单元，并设定合理的参数，如颗粒间的接触模型、接触力、刚度等。

模型考虑了冻土的实际尺寸、密度和形状等物理特征。

2. 试验条件与参数设定本数值模拟主要针对冻结黏土的三轴压缩试验。

试验条件包括温度、压力、压缩速率等，均依据实际试验设定。

在模拟过程中，我们还需设定相应的离散元参数，如颗粒间的摩擦系数、接触刚度等。

3. 模拟过程与结果分析在模拟过程中，我们首先对模型进行初始化和预处理，然后施加三轴压缩力。

通过观察和分析颗粒的运动状态、接触力分布等数据，我们可以了解冻结黏土的力学行为和变形机制。

此外，我们还可以通过对比模拟结果与实际试验数据，验证模型的准确性和可靠性。

四、结果与讨论1. 模拟结果通过离散元法对冻结黏土的三轴压缩试验进行数值模拟，我们得到了丰富的数据和图像。

这些数据包括颗粒的运动轨迹、接触力分布等，图像则直观地展示了土体的变形过程和破坏模式。

2. 结果分析通过对模拟结果的分析，我们发现冻结黏土在三轴压缩过程中表现出明显的应力-应变关系。

随着压力的增加，土体逐渐发生变形和破坏。

此外，我们还发现颗粒间的相互作用力对土体的力学行为和变形机制具有重要影响。

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》范文

《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》篇一一、引言在地质工程和岩土力学领域，对不同类型土壤的力学性能进行准确的研究是至关重要的。

特别是对于冻结黏土这类特殊的土壤类型，其三轴压缩试验的数值模拟研究对于理解其力学行为和工程应用具有重要意义。

本文旨在通过基于离散元的数值模拟方法，对冻结黏土的三轴压缩试验进行模拟分析，以期为相关研究提供参考。

二、离散元法概述离散元法是一种适用于颗粒材料和块体系统的数值模拟方法。

它通过将材料划分为离散的单元，并考虑单元间的相互作用力，从而模拟材料的力学行为。

在本文中，我们采用离散元法对冻结黏土的三轴压缩试验进行数值模拟。

三、模型建立与参数设定（一）模型建立在模拟过程中，我们建立了与实际三轴压缩试验相匹配的模型。

模型中包含了不同尺寸和排列的颗粒，以模拟真实土壤的结构特点。

同时，我们根据实际情况设定了边界条件和加载方式。

（二）参数设定在模拟过程中，我们设定了合理的参数，如颗粒间的接触刚度、摩擦系数、黏聚力等，以反映冻结黏土的力学特性。

此外，我们还考虑了温度对土壤力学性质的影响，通过设定不同的温度条件来模拟不同温度下的三轴压缩试验。

四、模拟结果与分析（一）模拟结果通过离散元法进行数值模拟，我们得到了冻结黏土在三轴压缩试验中的应力-应变曲线、位移场、应力场等结果。

这些结果可以直观地反映土壤的力学行为和变形特征。

（二）结果分析首先，我们对模拟得到的应力-应变曲线进行了分析。

通过对比不同温度条件下的曲线，我们发现随着温度的降低，土壤的抗剪强度和弹性模量均有所提高。

这表明在低温条件下，冻结黏土的力学性能有所增强。

其次，我们分析了位移场和应力场的分布情况。

通过观察颗粒的位移和应力分布，我们发现土壤在受压过程中出现了明显的塑性变形和应力集中现象。

这些现象与实际三轴压缩试验中的观察结果相吻合，进一步验证了离散元法在模拟冻结黏土三轴压缩试验中的有效性。

五、结论与展望通过基于离散元的数值模拟方法，我们对冻结黏土的三轴压缩试验进行了模拟分析。

离散元法及其在农业工程中的应用综述

现代食品XIANDAISHIPIN/离散元法及其在农业工程中的应用综述A Review on Fundamentals of Distinct Element Method and Its Applications inAgricultural Engineering Realm◎杨军伟，孙慧男，张卓青（中粮工程科技（郑州）有限公司，河南郑州450053）Yang Junwei，Sun Huinan，Zhang Zhuoqing（COFCO Engineering &Technology (Zhengzhou)CO.,Ltd,Zhengzhou 450053，China ）Abstract：Firstly the fundamentals,particle model and solution procedure of DEM are introduced,andthenitsapplicationstatusinagriculturalengineeringarenarratedandanalyzedemphatically,and finally thefurther developing trends of DEM are discussed.Key words：Distinct Element Method ；Agricultural Engineering ；Summarized Application 摘要：在介绍了离散元法的基本原理及其颗粒模型和求解过程的基础上，着重对离散元法在农业工程领域的应用现状作了叙述和分析，并对其进一步发展趋势进行了探讨。

关键词：离散元法；农业工程；综述应用中图分类号：S2由于微粒或者颗粒状物质存在的广泛性，在采矿、化工、制药、农业等多个领域都涉及对相关散体颗粒物质运动的研究。

尤其在工农业生产过程中，耕种、植保、输送等机械设备经常接触到大量的散体颗粒（物料），故散体颗粒与农业设备（或其相关接触部件）的接触关系、颗粒运动特性以及微观作用机理等直接关系到农业机械设备的作业性能和工作效率［1］，因而相关农业机械作业过程中散体颗粒运动、微观相互作用机理和宏观机械性能等的研究得到了农业工程领域相关学者的广泛关注。

耕作土壤的离散元法研究

耕作土壤的离散元法研究农业机械领域关注的问题。

建立土壤—机械相互作用模型是一个复杂的过程，这是由于土壤介质的空间变异性及非线性特征。

目前，对耕作过程中土壤动态行为的研究多采用基于连续介质的有限元法，该方法将土壤视为整体，然而在耕作过程中存在土层的分离和混合，裂缝的出现及土壤颗粒的流动，这使有限元法对土壤的运动的模拟就有局限性了。

土壤本身是由土壤颗粒、气体、液体组成的多相复杂颗粒团聚体，是一种典型的离散颗粒物质。

近年来，越来越多的学者开始利用离散元法（Discrete Element Method）研究土壤的动态行为。

1 离散元法简介离散元法由Cundall P.A.教授于20世纪70年代提出，最初用来分析岩石力学问题。

它是研究不连续体问题的一种数值模拟方法，以牛顿第二定律为理论基础，采用动态松弛法迭代求解，通过跟踪每个颗粒的受力及运动状态来获取整个颗粒群体的运动信息。

由于其离散的特点，在分析大规模颗粒群体系统时，无论是颗粒或是边界都不需要做大的简化；在赋予颗粒接触模型内聚力或粘结力学模型时，还可以分析离散颗粒结块或者颗粒团聚体破碎的过程。

因此，离散元法在对具有离散特性的土壤进行仿真分析时具有非常明显的优势。

离散元法也成为研究离散颗粒物质动力学的一种通用方法，目前广泛应用于岩土工程、粉体压实、散粒物料输送、土壤与机械的相互作用、脆性材料加工等领域。

离散元法仿真流程如图1所示。

2 离散元法在耕作土壤动力学中的应用传统的有限元法难以深刻理解耕作过程中土壤的动力学行为，在离散元法出现后，不少学者利用离散元法进行了土壤动力学研究。

Asaf等人提出的履带板以及刚性轮与土壤相互作用的仿真结果与试验结果具有良好的相关性，表明了离散元模拟可以作为优化设计的工具；Tanaka等人建立了一个震动深松铲与土壤间相互作用的离散元模型，可以对深松铲柄的形状进行优化；Horner等提出了犁和土壤间相互作用的三维离散元模型，该模型可以对土壤进行良好的定性分析，因此可以研究耕地过程中的土壤变形，但是缺乏相关的定量分析；Hofstetter建立了模拟推土机刮土铲与土壤相互作用的三维离散元模型；在水平方向，该仿真结果与实验结果十分吻合；钱立彬等采用离散元法模拟了土壤的双轴试验、直接剪切试验、土壤的坚实度试验以及开沟器开沟过程的试验，模拟结果与土槽试验结果基本一致。