摘要：準確模擬土壤—耕作工具之間的相互作用可以實現(xiàn)部分替代田間試驗環(huán)節(jié)，不僅能提高效率降低成本，還能優(yōu)化耕作工具。從經(jīng)典力學的分析和數(shù)值模型分析（有限元分析、離散元分析、流體動力學分析和耦合算法分析）兩個方面對土壤—耕作工具相互作用建模分析的研究現(xiàn)狀進行綜述。提出目前土壤—耕作工具相互作用的建模中對土壤的模擬不夠貼近實際、單一建模方法對土壤的模擬有局限性和多軟件耦合算法中通過優(yōu)化邊界穿越等問題。通過對多耦合軟件中不同模型邊界進行優(yōu)化，提高模擬土壤與耕作工具相互作用的準確性，使模擬結(jié)果更貼近實際。

關(guān)鍵詞：土壤耕作；數(shù)值建模；有限元；離散元；流體動力學

中圖分類號：S220.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0250-08

收稿日期：2022年8月10日" 修回日期：2022年11月25日

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團重大科技項目（2017AA004—1）

第一作者：宋禹瑩，女，2000年生，黑龍江佳木斯人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化。E-mail： songyuying0025@outlook.com

通訊作者：鄭炫，女，1971年生，江蘇徐州人，研究員，碩導；研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計。E-mail： jiazhengxuan@sohu.com

Research status of modeling analysis of soil-tillage tool interaction

Song Yuying1， 2， Zheng Xuan2， Liu Jinbao2， Yang Huaijun2， Li Fan2， Hu Heyan1， 2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi， 832000， China；

2. Institute of Mechanical Equipment， Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

Accurate simulation of the interaction between soil and tillage tools can achieve partial replacement of field trials， which can not only improve efficiency and reduce costs， but also optimize tillage tools. In this paper， the research status of modeling and analysis of soil-tillage tool interaction is reviewed from two aspects such as classical mechanics analysis and numerical model analysis （including finite element analysis， discrete element analysis， fluid dynamics analysis and coupling algorithm analysis）. It is proposed that the simulation of soil in the modeling of soil-tillage tool interaction is not close to reality， the single modeling method has limitations on soil simulation and the problem of optimizing boundary crossing in multi-software coupling algorithm. By optimizing the boundary of different models in multi-coupling software， the accuracy of simulating the interaction between soil and tillage tools is improved， and the simulation results are closer to reality.

Keywords：

soil cultivation; numerical modeling; finite element; discrete element; hydrodynamics

0 引言

土壤耕作是根據(jù)作物發(fā)育和生長對土壤的要求及土壤特性，利用機械或非機械方式改善土壤耕層結(jié)構(gòu)和性狀而采取的一系列耕作措施［1］。合理的土壤耕作方式有利于改善土壤的物理性狀、化學性狀和生物性狀，起到改善土壤狀態(tài)、疏松土壤、促進作物生長、將肥料混入土壤和將植物殘茬翻垡到地下促進分解的作用。耕作工具為農(nóng)業(yè)機械上通過觸土部件與土壤發(fā)生機械作用，使接觸土壤發(fā)生破碎、切削、翻轉(zhuǎn)、開裂和位移等行為的觸土部件［2-4］。土壤—耕作工具相互作用通常以兩種現(xiàn)象為特征：土壤與耕作工具界面產(chǎn)生的力和土壤顆粒的位移。當耕作工具在土壤內(nèi)推進時，土壤會對耕作工具產(chǎn)生阻力，耕作工具也會使土壤發(fā)生位移等行為。不同的耕作工具在作業(yè)過程中與土壤發(fā)生的受力情況也不相同。由于土壤空間可變性、非線性行為、與工具的接觸現(xiàn)象和發(fā)生在土壤和工具之間的界面區(qū)域的流動，因此模擬土壤—工具相互作用是一個復(fù)雜的問題［2， 5， 6］。

對土壤—耕作工具之間的相互作用產(chǎn)生的力進行分析可以針對性地優(yōu)化耕作工具以加強工具的切削能力，降低土壤對其的土壤阻力，提高工作效率降低成本。對土壤位移路徑進行分析可以針對土壤混合是否均勻和殘茬覆蓋深度等問題，有效改善土壤混合不均和殘茬覆蓋深度不夠的情況，因此模擬土壤與耕作工具之間的相互作用是至關(guān)重要。本文從建模方法等加以綜合評述，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外對模擬土壤—工具的相互作用的研究進展，為針對性優(yōu)化耕作工具提供參考。

1 經(jīng)典力學分析

土壤力學這一學科距今已有近300年的歷史，最初土壤力學主要用于預(yù)測在土體中產(chǎn)生破壞所需要的力，只考慮土壤強度而不考慮土壤應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系?；诒粍油寥榔茐睦碚摰姆治瞿Ｐ陀糜陬A(yù)測土壤切割力和土壤擾動量。

美國的Caterpillar拖拉機首次將土壤力學原理以定性分析的方式分析土壤推入刮板受的力，并使用比例模型研究土壤形態(tài)變化。Osman［7］將定性分析向前推進一步，考慮了特定的土壤特性引起的力如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦力、土壤—金屬摩擦力和土壤—金屬黏附力，由于沒有考慮到速度，所以此分析適用于緩慢的土體變形過程中所受到的力。Hettiaratchi等［8， 9］利用Reece的方程簡單性質(zhì)產(chǎn)生的一系列曲線中獲得大多數(shù)二維被動壓力問題的解決辦法，通過描述破壞幾何形狀的圖表分析三維土壤破壞問題。Godwin等［10］遵循Mohr Coulomb破壞準則提出了一個尖齒深寬比的力模型，該模型可用于模擬不同土壤密度下的近似臨界深度，但是對狹窄的土壤密度和尖齒的幾何形狀模擬不夠精準。Mckyes等［11］根據(jù)工具破壞區(qū)的未知角度為土楔編寫極限平衡力學方程，將該角度的理論阻力最小化，假設(shè)破壞面在工具尖端以破壞角與土壤表面相交，三維楔形截面模型不需要像之前模擬窄土壤切割刀片上的力模型需要事先測量土壤破壞區(qū)域的形狀，可以根據(jù)已知的土壤壓力準確求得耕作工具的阻力。Hettiaratchi等［12， 13］通過簡化劍橋臨界狀態(tài)土壤力學理論處理飽和土壤的力學行為并假設(shè)土壤應(yīng)力對土壤孔隙壓力的影響，根據(jù)土壤的斷裂力學方法開發(fā)了基于對數(shù)螺旋法和被動土壓力理論的臨界狀態(tài)土壤力學模型。

將模型變量之間關(guān)系的數(shù)據(jù)以曲線圖的方式導出，有助于研究人員通過參數(shù)研究增加理解，但是在設(shè)計工具方面有很大的局限性，常用于對耕作工具的優(yōu)化和改進。

2 數(shù)值模型

2.1 有限元

有限元法（FEM）將土壤視為連續(xù)介質(zhì)，可對土壤和耕作工具建立接觸模型，計算土壤與耕作工具之間的應(yīng)力、破壞模式和切削力，也可在缺少設(shè)定土壤破壞模式參數(shù)的情況下對土壤進行模擬。模型中有一些常見的土壤特性和土壤—工具界面屬性。有限元建?？梢蕴峁┩寥牢锢硇袨橹须y以通過試驗獲得的信息，也可以提供更多關(guān)于土壤—工具相互作用的漸進破壞區(qū)、應(yīng)力場、位移、速度和加速度信息方面的分析。

2.1.1 模擬土壤—耕作工具相互作用中的土壤壓實

FEM可用于研究土壤壓實方面，土壤壓實是通過減少耕作土壤結(jié)構(gòu)孔隙空間的過程。土壤壓實有自然現(xiàn)象引起的土壤板結(jié)和耕作工具引起的土壤擠壓，耕作工具的擠壓情況取決于耕作管理、種植系統(tǒng)和天氣［14］。Raper等［15］在線性彈性有限元程序中使用土壤壓實模型模擬各個元素的線彈性參數(shù)，解決了由于農(nóng)業(yè)土壤不符合線彈性理論需要在FEM模擬土壤壓實之前額外完善的要求。但是只能對扁平圓盤載荷建模而不能對球形圓盤載荷建模。Défossez等［16］將壓實模型細化分成對土壤深度應(yīng)力分布模擬的模型和對土壤應(yīng)力—應(yīng)變分析的模型。對土壤應(yīng)力—應(yīng)變分析的模型又進一步分為偽分析模型和數(shù)值模型。

對于偽分析模型，Keller等［17］開發(fā)并使用SoilFlex偽分析模型進行土壤壓實研究，提出了一種用于計算由于耕作工具引起的土壤應(yīng)力和土壤壓實的二維模型，此模型在輸入、描述應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程和輸出方面極為靈活的，也可以導出為表格易于理解。

對于數(shù)值模型，Keller等［18］以Von Mises的流暢度為標準使用FEM評估土壤特性對沿土壤剖面的應(yīng)力分布影響。Poodt等［19］使用Cam Clay模型結(jié)合了彈性行為和Mohr-Coulomb行為通過FEM評估甜菜收割機下的土壤剖面。Berli等［20］也使用Cam Clay模型在不同土壤含水率情況下通過FEM評估土壤壓實。Silva等［21］通過改進的Cam Clay模型的固結(jié)應(yīng)力、彈塑性變量來顯示由于外力引起的土壤初始應(yīng)力狀態(tài)的變化使用FEM模擬土壤壓實確定發(fā)生土壤壓實的區(qū)域。

2.1.2 模擬土壤—耕作工具相互作用中的土壤破壞

FEM也可用于研究土壤的破壞模式，現(xiàn)在已確定的土壤破壞模式有土壤中由于拉伸裂縫的傳播造成土壤的物理位移和垂直應(yīng)變引起的彎曲破壞［22］、脆性破壞［23］、不飽和潮濕土壤以金屬切削形成的碎屑形式［24］、塌陷破壞［25］、由于飽和潮濕土壤的物理位移引起的流動破壞［26］和發(fā)生在土壤黏結(jié)點類似于流動破壞的具有相當大的彎曲破壞［27］。Tagar等［28］發(fā)現(xiàn)土壤破壞模式與土壤的稠度限制之間存在直接關(guān)系，通過有限元模擬土壤的稠度限制和黏性點相關(guān)的土壤破壞模式，對比土壤箱和現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)土壤破壞模式受田間殘茬影響，有限元可以準確模擬出土壤箱的土壤破壞模式但土壤箱并不能代替現(xiàn)場結(jié)果。Hu等［29］提出了一種允許完全損壞的表面在無摩擦接觸條件下正確傳遞阻力的內(nèi)聚斷裂相場模型，還提出了一種新的彈性能量分裂沿裂紋強制執(zhí)行無摩擦接觸條件，用于研究薄膜斷裂中的機械—斷裂耦合以及形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的土壤干燥問題。肖普等［30］基于極限分析有限元法使用Hoek-Brown本構(gòu)模型分析得到極限狀態(tài)下淺埋隧道施工擾動誘發(fā)地表塌陷的破壞模式和塌陷范圍。Fang等［31］進行物理三點彎曲（TPB）試驗研究壓實黏土梁（CCB）的斷裂和破碎特征，并使用擴展有限元法（XFEM）和組合有限元法（FDEM）對不同缺口偏移比情況下的黏土梁（CCB）進行模擬探索土壤斷裂機制。

2.1.3 模擬土壤—耕作工具相互作用中的土壤切削力

FEM也被用于研究土壤的切割問題和工具上的作用力，Yong等［32］開發(fā)了一種考慮刀片尖端處黏土漸進和連續(xù)切割影響的有限元法在二維平面模擬了刀片切割土壤，確定在切割刀片作用下的土壤性能。蔡國華等［33］基于土壤力學接觸模型，設(shè)計了3種松壟割刀，使用有限元靜力學分析對3種割刀的受力進行計算，綜合分析得出V形割刀作業(yè)綜合效益最高。針對滅茬刀耕作阻力大、磨損嚴重等問題，優(yōu)化了滅茬刀和刀輥。王東偉等［34］建立了變幅桿有限元模型，利用仿真方法對其進行模態(tài)分析和響應(yīng)分析變幅桿軸線伸縮固有頻率振動輔助土壤切削，進而減少觸土部件工作阻力大的問題。

FEM中涉及土壤大變形如裂縫與位移分析或者與FEM假設(shè)的土體性質(zhì)不相符時，會出現(xiàn)數(shù)值收斂和網(wǎng)格畸變的現(xiàn)象，導致模擬土壤—耕作工具的準確性降低。在經(jīng)典土力學中，土體在載荷下的行為通常被假定為剛塑性，但在有限元建模中，考慮了彈塑性或黏彈性行為，但是也并不能很好地顯示土壤—顆粒尺度反應(yīng)和模擬顆粒水平的土壤行為。并且由于本構(gòu)關(guān)系的局限性，F(xiàn)EM無法模擬分析高速率下的耕作行為。

2.2 離散元

離散元法（DEM）是一種網(wǎng)格數(shù)值間斷方法，最早被用于巖石力學。在DEM中，土壤被視為單個顆粒的集合體，每個顆粒在外力（例如耕作作用）下與其相鄰的顆粒相互作用。結(jié)果，力在顆粒之間的接觸處產(chǎn)生，并導致土體中的應(yīng)力和應(yīng)變變化，應(yīng)力的大小由顆粒的剛度和顆粒接觸之間的重疊決定，顆粒的運動遵循經(jīng)典力學原理。DEM可以模擬土壤耕作力和土壤耕作過程中的擾動等宏觀和微觀特征，也可以顯示由于工具與土壤的相互作用而導致的土壤單元的大位移以及土壤的不均勻性。

DEM模型計算單元之間的接觸力由于元素的運動過于離散，而農(nóng)業(yè)土壤具有黏性，難以模擬真實的土壤顆粒運動。Momozu等［35］通過自設(shè)DEM模型模擬裝配體的參數(shù)對擺式刀片切割土壤的試驗進行模擬可以模擬出黏性土壤的動態(tài)行為。

2.2.1 模擬土壤—耕作工具相互作用中的耕作力

Shmulevich等［36］使用校準的模型參數(shù)和類似的顆粒形狀通過PFC2D模擬土壤和寬切割刀片之間的相互作用力。Flamen等［37］使用商業(yè)DEM代碼、三維粒子流代碼（PFC3D）在砂質(zhì)土壤中模擬了動力深松機，并且使用直剪和壓縮測試校準了沙質(zhì)土壤的PFC3D模型參數(shù)。Zhang等［38］使用DEM建立土壤顆粒間接觸的非線性力學模型模擬推土板壓碎土塊的過程，來分析仿生推土板壓碎土塊的機理，并比較仿生推土板和光滑推土板的碎土能力，結(jié)果表明，仿生推土板具有更強的碎土能力。Mak等［39］使用PFC3D在分別在粗土和細土中模擬了一個簡單的土壤接合工具，但是此模型未在研究中得到驗證。Chen等［40］使用三維粒子流代碼（PFC3D）開發(fā)了DEM模型來模擬土壤—工具相互作用行為中的土壤切削力和土壤擾動，且使用切割力試驗數(shù)據(jù)反向校準模型，但是土壤擾動相對于土壤切削力難以預(yù)測。Obermayr等［41］提出了一種用于模擬黏性土的具有球形顆粒、正常排斥和摩擦接觸以及具有彈性極限的滾動阻力以補償過度顆粒滾動的無黏性材料的DEM模型，該模型捕捉了黏性土壤的宏觀行為并且考慮內(nèi)聚力以正確模擬阻力。

2.2.2 模擬土壤—耕作工具相互作用中的土壤位移運動

方會敏等［42］在土倉中使用示蹤塊方法測量土壤位移，仿真中通過追蹤表層土壤顆粒的運動獲得仿真位移，建立DEM模型對比分析試驗與仿真的土壤位移，結(jié)果表明，淺層土壤顆粒的運動位移最大，中層土壤次之，深層土壤最小，較深位置的土壤，距離旋轉(zhuǎn)中心越近的顆粒水平位移和側(cè)向位移越大。Ucgul等［43］開發(fā)了一個程序來比較土壤箱測試和DEM模擬的土壤運動、表層土壤的埋藏百分比和向前的土壤運動，結(jié)果表明DEM模擬的土壤運動與土箱中的土壤運動具有相似的趨勢和模式，但是由于模擬中使用的球形顆粒大于實際球形顆粒，DEM模擬的土壤前向運動更大。Milkevych等［44］使用DEM開發(fā)一種根據(jù)土壤—工具相互作用期間工具表面上的潛在接觸載荷來制定相似性標準的建模方法，克服了模型與天然土壤之間的物理等效條件導致測量和模擬的土壤位移之間存在顯著差異，用于研究耕作過程中土壤和操作工具的相互作用引起的土壤位移。Qi等［45］使用基于DEM開發(fā)的數(shù)值模型模擬土壤流動，該模型通過使用提缸法對砂壤土做土壤流動測試獲得土壤的休止角進行驗證之后，對土壤流動的動態(tài)特性監(jiān)測，能夠捕捉土壤顆粒組裝和單個土壤顆粒的動力學。

2.2.3 DEM模型參數(shù)校準

DEM模型中土壤參數(shù)校準對模擬結(jié)果的精確呈度有很大影響，Hoseinian等［46］在DEM中采用Hertz-Mindlin接觸模型和顆粒間平行鍵的球形顆粒來模擬農(nóng)業(yè)土壤團聚體及其凝聚行為，通過DEM模擬耕作工具阻力和試錯法分析阻力來校準黏結(jié)剛度，結(jié)果表明，此模型可以通過使用垂直力與耕作阻力之比校準顆粒剪切模量來模擬垂直力和耕作阻力。由于土壤顆粒在不同位置大小和形狀的不均勻性會影響模擬的精確程度，宋占華等［47］通過土壤休止角的試驗、土壤—65Mn鋼滑動摩擦角試驗和土壤直剪試驗提出了桑園土壤離散元仿真物理參數(shù)系統(tǒng)標定的方法，并且根據(jù)土壤粒徑分布使用DEM建立了桑園土壤的非等直徑土壤球形顆粒模型，根據(jù)提出的標定方法及其參數(shù)值，可進行桑園耕作機械觸土部件與土壤相互作用的離散元仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

離散元（DEM）將土壤視為散粒體，可以模擬土壤宏觀和微觀的行為，也可以顯示土壤顆粒的分布和工具引起的土壤大位移問題，為了在每個計算周期中生成每個顆粒的動態(tài)屬性，與FEM相比，需要額外的計算時間來存儲和計算信息。并且模擬土壤的精確程度與土壤參數(shù)的校準有關(guān)，但在DEM中缺乏可用的標準化校準方法或測量程序，雖然研究人員經(jīng)常采用不同方法來確定相同的參數(shù)值，但仍然缺乏穩(wěn)健的DEM模型參數(shù)校準方法。

2.3 流體動力學

流體動力學將土壤視為離散體，其中土壤顆粒被視為流體，在算法上采取無網(wǎng)格算法，可以分析土壤的破碎和大變形運動，其中計算流體動力學（CFD）使用的是歐拉視角，需要耦合有限元劃分網(wǎng)格一起分析，基于流動基本方程對流動數(shù)值進行模擬，得到流體各個節(jié)點物理量的分布規(guī)律，不僅可以模擬流體的流動行為，還可以模擬熱量和質(zhì)量的傳遞、相變、化學反應(yīng)、機械運動以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或變形。平滑粒子流體動力學（SPH）使用的是拉格朗日視角，對土壤各個節(jié)點進行整合分析，基于動力學方程對流體中的質(zhì)點組和每個質(zhì)點的軌道求解，最后對所有顆粒的受力性能計算。SPH在模擬大變形方面具有獨特的優(yōu)勢，不僅用于自由表面流動問題，還可以用于熱問題、超高速撞擊和爆炸問題。

2.3.1 計算流體動力學

Vyalov［48］在觀察幾種土壤試驗的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系后得出一個黏塑性線性模型，即Bing-ham流變模型，可以描述穩(wěn)態(tài)應(yīng)力下的土壤變形。在土壤中，應(yīng)力和流動速率之間的關(guān)系是非線性的，流動是由總應(yīng)力和屈服應(yīng)力之間的差異引起的，其速率與超過屈服應(yīng)力的應(yīng)力成正比。當施加的剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，黏塑性流體表現(xiàn)得像固體；一旦超過屈服應(yīng)力，它就會像流體一樣流動。為簡化起見，土壤被認為是不可壓縮的，因此土壤可以被認為是一種單相連續(xù)介質(zhì)，可以分析其流變特性并用于模擬與耕作相關(guān)的土壤變形過程。Karmakar等［49， 50］發(fā)現(xiàn)耕作工具相互作用導致土壤大變形的特征可以看作是耕作工具周圍的土壤流動。那么土壤流動就可以從流體和流動參數(shù)的角度進行分類和分析，流體參數(shù)取決于流體的物理性質(zhì)，流動參數(shù)代表整個系統(tǒng)的流動特征。土壤流動模式為層流，分界由慣性力和黏性力的比值也就是雷諾數(shù)指定。該方法可以將工具視為靜止，土壤流過工具，流域可以根據(jù)工具影響區(qū)來確定，因此得出，工具對土壤流動的影響可以用來計算土壤擾動和施加在工具上的力。

CFD軟件通過自定義的速度和應(yīng)力分布等參數(shù)模擬土壤的粒子運動，基本原理是求解基于質(zhì)量和動量守恒方程的流體本構(gòu)方程。CFD模型可以研究耕作工具表面的壓力分布和由于工具向前運動引起的土壤破壞模式，模型中的土壤表征為Bing-ham黏塑性材料，能更深入地了解土壤阻力和耕作工具上的壓力分布。Luo等［51］基于CFD軟件計算耕作條件對犁體與土壤的相對流動行為的影響，結(jié)果表明，最大壓力都出現(xiàn)在犁體的犁胸與犁翼交界部分，并且那里的壓力隨著作業(yè)速度和深度的增加而增加，最嚴重的磨損區(qū)域出現(xiàn)在犁胸與犁翼交界部分，磨損區(qū)域隨著作業(yè)深度的增加而變得更加嚴重。

2.3.2 平滑粒子流體動力學

對于土壤裂紋問題，SPH中裂紋的擴展是任意的，理論上土壤裂紋可逆，這使得SPH材料中真實裂紋情況的模擬成為可能。Wang等［52］提出了采用降維投影法確定虛擬裂紋邊界的概念來解決SPH框架下的裂紋擴展問題，提高了裂紋尖端粒子的支撐域，根據(jù)斷裂力學中的最小應(yīng)變能密度因子原理，估計裂紋的萌生和擴展方向。結(jié)果表明，在SPH中基于斷裂力學理論的應(yīng)變能密度因子對尋找裂紋擴展方向有巨大作用。

流體動力學主要用來模擬土壤大變形，可以避免網(wǎng)格的大變形及負體積的產(chǎn)生，計算速度也有很大優(yōu)勢，但是需要對土壤的黏度建立本構(gòu)方程來提高模擬的真實性，并且難以模擬工具切割土壤表面運動的變形。

2.4 多軟件耦合

耕作土壤動力學分析涉及農(nóng)業(yè)力學、高等數(shù)學、微分幾何、數(shù)值分析和計算機應(yīng)用等知識，問題復(fù)雜。在土壤—耕作工具相互作用的研究中，不僅要對工具進行分析還要對土壤顆粒進行分析，使用單一的模型對土壤與耕作工具進行模擬，不能更全面的分析工具的耕作過程，無法對部分土壤耕作進行準確的模擬。不少研究學者使用多軟件耦合來進行土壤—耕作工具相互作用的模擬。Zhang等［53］通過在拉格朗日描述中引入歐拉邊界使切割的動作模擬為土壤流過工具，打破當前數(shù)值方法的局限性，使用FEM-CFD耦合對土壤—工具相互作用進行模擬，此方法克服了FEM中對于網(wǎng)格畸變的問題和CFD中可變形材料相關(guān)邊界的缺點，即使土壤大變形的情況下不會產(chǎn)生網(wǎng)格畸變也可以捕獲土壤表明的無約束變形。

對于復(fù)雜的土壤動力學問題，董向前等［54］基于DEM-MBD耦合對土壤擾動進行分析，使用MBD對耕作工具進行動力學仿真并且DEM建立土壤模型，解決了DEM中沒有成熟的分析動力學的功能，此方法簡化了方程分析工具軌跡的過程，提高了工作效率。Yu等［55］基于DDA-SPH耦合對土壤—結(jié)構(gòu)相互作用進行分析，本構(gòu)模型基于Drucker-Prager屈服準則并且使用Mohr-Coulomb失效準則校準，結(jié)合兩者優(yōu)點提高了在土壤—結(jié)構(gòu)相互作用行為捕捉的功能，此方法可用于捕捉土壤—結(jié)構(gòu)之間大變形和破壞后的行為。梁紹敏［56］基于DEM-FEM-MBD耦合對航天器著陸月球土壤過程分析，對于時間步長的協(xié)調(diào)提出了一種方法，F(xiàn)EM-MBD計算時采用的時間步長等于DEM計算時采用的時間步長乘以通信系數(shù)n，提高了計算效率。

其他軟件的單獨建模方法與多軟件耦合相比局限性太大，功能太過單一，由于土壤的復(fù)雜性，不能模擬全面。對于情況復(fù)雜的土壤與耕作工具之間的相互作用，多軟件耦合能模擬得更為準確，效率更為提高。數(shù)值模型分析方法的優(yōu)缺點及適用范圍如表1所示。

3 存在問題

1） 在經(jīng)典力學分析構(gòu)建模型中，土壤條件復(fù)雜多變，與土壤參數(shù)，環(huán)境等因素密切相關(guān)，由于土壤的重塑性較差，部分物理參數(shù)難以用試驗方法及儀器獲得，理論模型不能完整地分析土壤與耕作工具之間的相互作用，且在試驗和測量條件的局限下，導致實際耕作結(jié)果與理論分析差距較大，理論與實際結(jié)合不夠密切。

2） 在土壤—耕作工具之間相互作用的建模分析中，對土壤的模擬不夠貼近實際，由于土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜的多相體系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大小和形狀不均勻且無規(guī)則，土壤特性受含水量、溫度和植物殘茬等條件影響，土壤參數(shù)的設(shè)定不夠精確，并且土壤模擬精確度越高，對計算機要求越高，成本和時間就越高。

3） 在土壤—耕作工具之間相互作用的建模分析中，現(xiàn)有的建模分析方法適用于模擬單一的土壤運動，有限元分析方法在模擬黏性較大的土壤與耕作工具之間阻力及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時被廣泛應(yīng)用，但是遇到土壤的大變形時會導致嚴重的網(wǎng)格畸變，影響仿真準確性甚至導致計算終止，流體動力學分析方法很容易模擬土壤的大變形運動，但是對土壤表明的無約束變形難以模擬。離散元分析方法不同于有限元和流體動力學是連續(xù)介質(zhì)數(shù)學方法，是非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法，可以模擬土壤在耕作工具下的變形、破碎、移動和翻轉(zhuǎn)等行為以及土壤對耕作工具的作用力和磨損變形，但是離散元的顆粒上限為毫米，且計算量龐大，效率低。且單一的建模分析方法對土壤的運動模擬得還不夠全面，耕作工具的模型為了方便計算都做了簡化處理，且土壤在與耕作工具發(fā)生作用時，土壤在耕作工具下的變形、破碎、移動和翻轉(zhuǎn)等行為之間會互相影響，耕作工具的磨損也會對土壤運動造成影響，導致計算結(jié)果有差異，在對于土壤運動的模擬這方面還需多加完善。

4 發(fā)展趨勢

隨著時代的發(fā)展與技術(shù)的革新，對于土壤—耕作工具之間的相互作用由宏觀分析研究轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^分析，試驗過程和結(jié)果可視化的數(shù)字化模擬逐漸成為建模分析的必然趨勢，由于計算機性能的不斷提升，處理速度和計算能力大大加強，如何更加精確地模擬土壤與耕作工具之間的相互作用，進一步縮小模擬土壤與真實土壤之間的差距會慢慢克服。

目前主要采用理論分析和試驗相結(jié)合的方法對土壤—耕作工具相互作用及其規(guī)律進行研究分析，由于試驗條件和測量技術(shù)的限制，無法準確分析土壤—耕作工具相互作用的影響，土槽試驗與田間試驗不能較好地揭示出土壤—耕作工具之間的相互作用，理論分析由于土壤的復(fù)雜性，物理參數(shù)難以獲取，不能完整解析整個土壤與耕作工具之間相互作用的過程，因此通過模擬仿真來研究土壤—耕作工具相互作用是連接理論與試驗，使土壤與耕作工具相互作用時的運動研究可視化。

在土壤—耕作工具的相互作用中，都是耕作阻力和土壤位移同時發(fā)生，對于這種復(fù)雜的幾何體運動和多相流問題，單純依靠單一分析軟件已經(jīng)不能滿足復(fù)雜的模擬要求，多軟件耦合已成為數(shù)值模擬發(fā)展的一個重要方向，在土壤—耕作工具相互作用的建模分析中需要根據(jù)需求使用多種分析軟件聯(lián)合使用，進而使土壤—耕作工具的相互作用的模擬更加全面，更加準確，實現(xiàn)部分替代田間試驗環(huán)節(jié)。

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