基于屈服阻力的苏打盐碱土离散元模型参数标定

作     者：王宇星 王晓燕 李洪文 吴正阳 高世杰 刘迪 WANG Yuxing;WANG Xiaoyan;LI Hongwen;WU Zhengyang;GAO Shijie;LIU Di

作者机构：中国农业大学工学院北京100083 农业农村部河北北部耕地保育农业科学观测试验站北京100083 

出 版 物：《农业机械学报》 (Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery)

年 卷 期：2025年第56卷第1期

页      面：301-310,365页

核心收录：

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFD1500602-03) 

主　　题：苏打盐碱土 屈服阻力 离散元法 参数标定 锥刺试验 单轴压缩试验 

摘      要：松嫩平原作为世界三大盐碱地区之一,其特有的苏打盐碱土因其粘重特性显著,在设计和优化针对该类型土质的作业机具时,必须考虑土壤耕作阻力。离散元法(Discrete element method,DEM)在预测土壤耕作阻力时更加精确快速,成为耕作机具设计优化的重要工具。本研究构建苏打盐碱土DEM模型并进行参数标定,选择Hertz-Mindlin with Bonding V2模型作为DEM仿真模型。通过文献查阅获取土壤与机具的本征参数,使用倾斜平面试验确定土壤间、土壤与机具间的接触参数。进一步采用锥刺和单轴压缩试验,结合中心复合设计(Central composite design,CCD)获取Bond键参数的最优组合。最后通过田间试验验证参数标定的准确性。试验结果表明,锥刺和单轴压缩试验土壤屈服阻力分别为153.3 N和331.4 N;在深40 cm土层,开沟铲作业阻力为11907.5 N;Bond键最优参数组合:单位面积法向刚度K_n为3.68×10^(7)N/m^(3)、单位面积切向刚度Ks为2.97×10^(7)N/m^(3)、法向应力σ为197374 Pa和切向应力τ为96285.5 Pa。通过对比锥刺试验、单轴压缩试验及田间试验的阻力预测值与实测值,相对误差分别为-0.95%、0.78%和-8.61%,证明了DEM模型的可靠性,展示了该模型准确预测苏打盐碱土耕作阻力的能力。