基于离散单元法农田土壤单轴压缩模型的建立及参数校核_石林榕

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇａｎｓｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆａｒｍｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｉｎ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｒｅａｌ ｓｏｉｌ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ Ｆｌｕｎｅｔ－ＵＤＦ ｔｈａｔ ｄａｔａ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｓｈｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｗｒｉｔｔｅｎ，ｓｏｉｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｕｓｔｏｍ ｆａｃｔｏｒｙ ｉｎ ＥＤＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ：Ｓｈｅａｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｐｗａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ａｘｉｓ，ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ａｘｉｓ． Ｐｅａｋ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｓｈｅａｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｄｒｏｐ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ａｒｅ ｆａｒ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｏｉｎｔ ａｓ ｓｈｅａｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ａｘｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｐｅａｋ ｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｎｏｒｍａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｂｏｖｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｆｒｏｍ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｕｎａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ－ｓｔｒａｉｎ，４ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｔｈａｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｗｅｒｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ．Ｔｈａｔ ｉｓ ｗｈｅｎ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ２１０ ＭＮ／ｍ３，ｓｈｅａｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ８０ ＭＮ／ｍ３，ｎｏｒｍａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ３０ｋＰａ，ｓｈｅａｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ８ｋＰａ，ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｍｏｒｅ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｈｏｌｄｉｎｇ １０．５％ ｍｏｉｓｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｓｏｉｌ；ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
本研究拟应用有限元网格及离散元颗粒群建模 相 结 合 的 “快 速 填 充 法 ”建 立 可 靠 的 农 田 土 壤 单 轴 压 缩模型，并使用调整 参 数 逼 近 试 验 曲 线 法 校 和 黏 结 模型参数［２２］，以 期 为 农 业 物 料、岩 石 等 复 杂 模 型 的 建立及参数校核提供参考。
１ 土 壤 单 轴 压 缩 模 型 建 模
１．１ 三 维 模 型 及 网 格 借助三维 建 模 软 件 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建 立 土 壤 单 轴
压缩仿真模型。为便于与土壤单轴压缩试验模型进 行对比和参数校核，仿 真 模 型 与 土 力 学 标 准 圆 柱 体 试 件 尺 寸 一 致，其 直 径 为 ３９．１ ｍｍ，高 为 ８０ ｍｍ （图１）。借助专业网格划分软件 Ｇａｍｂｉｔ２．４对土壤 仿真模型进行网 格 划 分。 由 于 模 型 为 圆 柱 体，外 形 尺寸既有圆周方向 又 有 长 度 方 向，以 四 面 体 为 主 进 行 网 格 划 分 ，共 有 ８４ ８８０ 个 网 格 （图 ２）。
的有限元模型网格信息读写出至ｔｘｔ文 件。 所 编 写
的 ｕｄｆ程序主要完成从网格模型中读出四面体网格
的 排 号 、正 四 面 体 网 格 质 心 点 ３ 个 方 向 的 坐 标 值 、速
度、角速 度 和 球 径 倍 率，其 中，网 格 质 心 坐 标 值 由
ｕｄｆ内置 函 数 Ｃ＿ＣＥＮＴＲＯＩＤ 获 取，速 度 和 角 速 度
均 为 零 ，球 参 考 半 径 采 用 式 （１）和 （２）计 算 取 得 ，球 径
倍率采用式（３）计 算 获 得。 以 这 种 次 序 输 出 网 格 信
息以便于 ＥＤＥＭ 软 件 的 自 定 义 颗 粒 工 厂 生 成 颗 粒
模 型 。ｕｄｆ主 程 序 核 心 计 算 公 式 为 ：
ＶＲ ＝φ·ＶＣ
收 稿 日 期 ：２０１４－１０－２３ 基 金 项 目 ： “十 二 五 ”国 家 科 技 支 撑 项 目 （２０１２ＢＡＤ１４Ｂ１０－４） 第 一 作 者 ： 石 林 榕 ，硕 士 研 究 生 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｅｔｍａｏ＠ｑｑ．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ： 赵 武 云 ，教 授 ，主 要 从 事 农 业 工 程 技 术 与 装 备 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｗｙ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
中 国 农 业 大 学 学 报 ２０１５，２０（４）：１７４－１８２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｈｔｔｐ：∥ｘｕｅｂａｏ．ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ＤＯＩ：１０．１１８４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４３３３．２０１５．０４．２４
基于离散单元法农田土壤单轴压缩模型的建立及参数校核
图 １ 土 壤 单 轴 压 缩 仿 真 模 型 Ｆｉｇ．１ Ｓｏｉｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
１．２ 网 格 信 息 读 写
利用 Ｆｌｕｅｎｔ软 件 可 以 较 方 便 读 取 有 限 元 模 型
网格信息的特点，编写 的 ｕｄｆ程 序 将 导 入 Ｆｌｕｅｎｔ中
目前，离散单 元 法 广 泛 应 用 于 岩 石 力 学［６－７］、物 料运 动［８－９］、农 业 机 械 优 化 及 ［１０－１３］ 土 壤 力 学 等 ［１４－２０］ 领 域。而将此法应用 于 研 究 土 壤 动 态 行 为、优 化 农 业 中与土壤 发 生 作 用 核 心 部 件 的 研 究 较 少 。 ［２１］ 应 用 ＤＥＭ 以减阻降耗为 目 的 进 行 农 具 结 构 优 化 最 先 解 决的、最关键的问题 是 如 何 建 立 研 究 颗 粒 群 可 靠 模 型。现有建立离散元研究模型通常采用传统的依靠 重 力 填 充 模 型 ，这 样 会 出 现 颗 粒 与 模 型 壁 面 、颗 粒 间 接触不充分等问题，造 成 整 个 分 析 模 型 在 进 行 仿 真 分析时可靠性不足。
Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
ＳＨＩ Ｌｉｎ－ｒｏｎｇ，ＷＵ Ｊｉａｎ－ｍｉｎ，ＺＨＡＯ Ｗｕ－ｙｕｎ＊ ，ＳＵＮ Ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ－ｗｅｉ，ＳＵＮ Ｂｕ－ｇｏｎｇ
３
槡 Ｒ ＝
３ＶＲ ４π
（１） （２）
Ｃｆ
＝
Ｒ Ｒ０
（３）
式中：ＶＲ 为四面体网格内球体积，ｍ３；φ 为网 格 体 积 分数，本研究取０．６１；ＶＣ 为四面体网格体积，由 ｕｄｆ
内置函数 Ｃ＿ＶＯＬＵＭＥ 获 取，ｍ３；Ｒ 为 四 面 于离散单元法农田土壤单轴压缩模型的建立及参数校核
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土 壤 力 学 特 性 是 精 耕 细 作 、精 密 播 种 、高 效 收 获 和减阻降耗等过程 中，触 土 部 件 设 计 与 优 化 需 最 先 研究解决的 问 题 。 ［１］ 目 前，对 耕 地 土 壤 疏 松 和 混 合 性 状 的 研 究 只 能 通 过 大 田 或 土 槽 试 验 ，耗 时 耗 工 ，理 论分析方法仅能研 究 模 型 的 阻 力，以 上 方 法 均 不 能 模拟土壤 动 态 运 动 过 程［２－３］。Ｓｈｍｕｌｅｖｉｃｈ 等 提 ［４］ 出 的基于 Ｔｅｒｚａｇｈｉ’ｓ被 动 土 壤 压 力 理 论 的 数 值 模 拟 方法（ＦＥＭ 和 ＤＥＭ）不 仅 可 以 计 算 模 型 作 业 阻 力， 还能模拟土壤破碎。其 中 ＦＥＭ 只 能 对 最 终 状 态 为 静 止 的 土 壤 进 行 整 体 分 析 ，对 单 个 颗 粒 的 运 动 、土 层 破裂和 分 离、混 合 和 流 动 等 过 程 模 拟 力 所 不 及 ； ［４］ ＤＥＭ 把介质看作由 一 系 列 离 散 的 独 立 运 动 的 单 元 所 组 成 ，单 元 运 动 受 经 典 运 动 方 程 控 制 ，整 个 介 质 的 变形和演化由 各 单 元 的 运 动 和 相 互 位 置 来 描 述 。 ［５］ 土壤本身为离散结 构，且 耕 作 是 土 壤 颗 粒 的 动 态 变 形和运动过程。因 而，采 用 离 散 单 元 法 对 耕 地 土 壤 进行分析模拟更符合实际。