机械与土壤相互作用的离散元仿真研究进展

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1、2015年1月农机化研究第1期机械与土壤相互作用的离散元仿真研究进展李博，陈军，黄玉祥(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100)摘要:针对离散元法在机械与土壤相互作用方面的研究现状，综合分析现有相关文献，根据离散元法在该领域的不同应用，分别讨论了离散元法在农机具设计、车轮滚动问题、圆锥入土分析以及与有限元法相结合的应用研究现状，指出了其中存在的问题。同时，分析了离散元法在研究该领域时需要解决的关键问题，指出了针对不同的土壤应当建立的相应模型，认为三维球元模型是今后研究的重点。在此基础上，提出了未来离散元法

2、在该领域的发展趋势，即更为复杂的三维模型可能被建立出来，以使仿真结果同真实实验更为接近，从而取代繁琐的实验。关键词:离散元法;机械;土壤;模型;仿真中图分类号:S220．1文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)01－0217－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.01.051题、圆锥入土分析以及一些与有限元等方法相结合的0引言问题上。数千年来，耕作水平代表了农业的发展水平，农应用离散元进行土壤颗粒在动力负荷下的仿真的民们和相关研究者通过不断地优化耕作机具、改变耕优势是显而易见的。专

3、注于微小结构层面上的研究作方法来提高耕作的水平。有利于了解土壤与机械的作用过程并且有助于改进农业机械与土壤的相互作用一直是研究农业机械农业机具的设计。土壤在切割、翻垡和开沟等过程的重要方面之一;但由于土壤这种介质的空间不确定中，颗粒群离散度大并伴随着动态破裂、破碎和流动，性，与农业机械的接触都是在表面还有动力等的一系用离散元分析显然比连续体理论更适合。国际上已［12］列因素的影响，给研究带来了很大的困难。近代以有很多人用二维盘元模型和三维球元模型进行了来，很多的研究者用实验、有限元的方法进行了相关相关模拟，取得了比较好的效

4、果。在众多学者进行的［1－4］方面的研究，取得了许多的成果。然而，在耕作过离散元仿真中，建立的模型、难度和精确度等都存在程中，土壤是以颗粒群的形式进行运动的，土壤的破着很大差异。本研究对现有的相关方面进展进行了裂变形还有土壤颗粒的流动不可以被有限元这种基综述，分析了离散元在该领域的不同应用及优劣，以于均匀连续和各向同性的理论正确地建立模型，导致期对今后机械与土壤相互作用的离散元建模仿真有设计方法与实际情况相互脱节。所帮助。［5］离散元法DEM最早是由Cundall提出的一种分1离散元法的仿真应用析散体行为的方法，颗粒的受力

5、和运动由颗粒碰撞的静态接触力关系和牛顿运动定律确定。近年来，各国都比1．1农机具工作过程仿真较重视离散元的研究，在过去的30年中，已经有很多的根据当地土壤情况用离散元法建立相应土壤模研究者在工程领域方面利用离散元来仿真颗粒的运动型，通过相关实验获得参数，用计算机对农机具的工［6－11］并且取得了很好的效果。在农业机械方面，离散作过程进行仿真分析。给定不同的变量值，可以对农元法主要应用于农机具的设计、车轮滚动问机具的受力、能量消耗及土壤的变形、运动情况等进行分析、观察，同真实的土槽实验相结合，从而为科学收稿日期:2014－0

6、1－15基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD29B08);高等合理地设计农机具提供一种方法。学校学科创新引智项目(B12007);陕西省农业攻关项目［13］T．Tsuji等人对推土板推土过程进行了研究，(2013K02－11)［14］作者简介:李博(1988－)，男，太原人，博士研究生，(E－mail)nw-采用的是Utili和Nova的模型，微观颗粒间的粘结suaf_lb@126．com。力采用土壤宏观破坏特性准则。这种方法不需要详通讯作者:陈军(1970－)，男，宁夏固原人，教授，博士生导师，(E－

7、mail)chenjun_jdxy@nwsuaf．edu．cn。细检查颗粒级别的微观现象，而是从宏观方面去建立·217·2015年1月农机化研究第1期土壤颗粒的液桥粘结力。然而，如何能把土壤宏观破有人开始用该方法研究轮子与土壤相互作用的问题。［25－26］坏特性准则中两个特征参数内摩擦角和粘结力同微H．NaKashima1等人对月球车车轮在月壤上观量在三维球元的情况下建立起联系还没有得到解滚动进行了研究，用二维圆盘模型仿真月壤，来观察决。车轮的水平行走能力和爬坡能力。其分别做了坡度［15－16］ＲuiZhang等人研制了仿

8、生推土板，并用离角对滑转率的影响实验、轮子的沉陷实验及月壤流动散元法进行了仿真分析。其对土壤建立了非线性并实验等，仿真结果与真实实验得到的曲线趋势比较接行约束模型来模拟土壤颗粒间的液桥力，采用双轴压近。然而，文中所用的颗粒模型过于简单，月壤颗粒缩试验来获得土壤微观参数，对光滑推土板和仿生推间的粘结效果也