土壤行为的离散元研究

土壤行为的离散元研究

摘要：离散元在研究非连续物质上有着不可替代的优越性。本文介绍了离散元研究土壤行为的意义、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，以期对后续的研究有所帮助。

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：ａ

１离散元研究土壤行为的概况

1.1离散元研究土壤行为的意义

为了更好地利用土壤，解决机械作业问题［1］，使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研究土壤。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一定形状和数量的颗粒，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、中心差分法及牛顿第二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土壤行为的离散元研究现状及存在的问题

迄今为止，已有不少学者致力于离散元在土壤行为方面的研究。1996年thnaka用离散元模拟金属棒插入土壤，根据土壤的变形和

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，土壤存在破碎，并算出了导致这种破碎的拉伸弹性力，认为改进的离散元能更好地模拟土壤行为［3］。2000 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，发现推土机刀刃和土壤相互作用的水平方向与实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。2005

年franco提出了如何确定粘性土壤离散元参数的方法。2006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，他研究出了反解技术与原位测试的方法来解决这个问题。2008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变化。2012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变化规律。

但是由于土壤结构复杂，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十分确切，因此，土壤行为的离散元法还有待进一步研究。

2土壤行为离散元模型研究

2.1土壤颗粒离散元模型的建立

接触模型是离散元研究的核心，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、超球与土壤颗粒接近，但是其接触算法复杂；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，土壤颗粒间存在一定的粘性，因此采用湿颗粒模型比较接近实际。

在研究土壤方面，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，在离散元研究土壤行为时需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、结构形状、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，对于研究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情况而定，一般选取半径为0.3～1mm之间，采用均匀分布

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，也不便于观察；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，需要根据土壤的不同含水量，将要研究的农机具用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。最后，根据模拟结果，找到不同表面形态的农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略造成土壤拉伸或断裂破碎的法向模量增量。此外，提出了应该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］．农机化研究，2004（０5）：26－30．

［2］郭志军，周志立，张毅，等．土壤耕作部件仿生优化设计研究［j］．技术科学，2009，39（０4）：720－728．

［3］tanaka，koji inooku，osamu sumikawa，et al．simulation of soil behavior at subsoiling by the distinct element method．proceedings of the 6th asia-pacific conference of the international society for terrain-vehicle systems，bangkok，thailand，2001：194－200．

［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，2012，26（０4）：69－71．

［5］m．j．adams，v．perchard．the cohesive forces between particles with interstitial fluid．inst．chem．eng．symp．1985（91）：147－160．［6］周先齐，徐卫亚，钮新强，等．离散单元法研究进展及应用综述．岩土力学［j］，2007，28（增刊）：408－416．