農(nóng)業(yè)核心論文淺析離散元法在土壤動力學方面的研究

　　土壤在切土部件(如推土機鏟板、深松鏟等)的作用下，將發(fā)生破裂和翻轉(zhuǎn)移動等動態(tài)行為，這一動態(tài)過程的力學機理非常復雜。離散元法(Discrete Element Method，DEM)把介質(zhì)看作由一系列離散的獨立運動單元所組成，單元的尺寸是細觀的，其運動受經(jīng)典運動方程控制，整個介質(zhì)的變形和演化由各單元的運動和相互位置來描述。作為一種復雜的多相混合體，耕作土壤本身具有離散性質(zhì)，因此離散元法是分析外力作用下土壤動態(tài)行為變化過程的較理想方法。

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　　1 離散單元法的國外研究現(xiàn)狀

　　1.1離散單元法的國外研究進展

　　近年來，針對土壤的靜態(tài)、動態(tài)行為，國內(nèi)外許多學者利用離散元法對其進行了深入研究，所涉及的研究包括土工動力學、地面車輛行駛問題、自然力對土體的作用，以及耕作土壤動力學等，并取得了重要的研究成果。

　　散體力學發(fā)展的一個重要方面就是對土壤動態(tài)行為變化過程的研究，從Cundal和Strack開始，對土壤動態(tài)行為變化過程的實驗模擬集中應用離散元法進行模擬，以二維圓盤、矩形元和橢圓盤為顆粒模型，研究各種理想的土壤狀態(tài)對挖掘機斗抓料過程的模擬，顯示了離散元的應用潛力。Makanga等為了研究土壤耕作后的顆粒變化狀況，采用離散元法仿真分析了在不同寬深比和傾角的深松鏟柄作用下，土壤的運動狀態(tài)，并根據(jù)模擬結(jié)果給出了相應的數(shù)學表達式。Asaf[1]利用離散元PFC2D軟件對4種不同的切土刀進行了模擬仿真，仿真結(jié)果表明水平作用力趨勢基本相同，但垂直作用力差距較大。Coetzee等用離散元法和無網(wǎng)格法仿真了開鑿機械挖掘土壤的工作過程，結(jié)果表明離散元在土力學上的研究還有待進一步研究。

　　1.2 接觸模型的研究進展

　　為了使土壤顆粒之間的粘附性更接近于實際土壤，Oida等提出了一個包含粘結(jié)力的接觸力學模型，顆粒間的運動是通過法向彈簧的作用得到的，當兩顆粒間距離很近時產(chǎn)生張力，距離很遠時也會產(chǎn)生拉力，但是發(fā)生這種相互作用的前提是兩顆粒間有接觸，他用此模型模擬了車輪在土壤中的運動狀態(tài)。

　　1.3 顆粒形狀模型的研究進展

　　離散元法最開始的研究是將顆粒形狀設置為二維剛性多邊形和圓盤，對應的三維狀態(tài)則分別為多面體和球體。

　　由于土壤顆粒形狀的不規(guī)則性，國外很多學者采用多邊形、多面體或球體等表示離散元法的顆粒模型。Lin和Ng提出了橢球模型，并將橢球體和球體進行了比較，結(jié)果指出土壤動態(tài)行為變化過程受顆粒形狀的影響較大。Ting等人提出了橢圓盤顆粒形狀的離散元法模型，分析了不同土壤土壤顆粒形狀對切土部件工作阻力的影響。

　　Favier[2]等采用多個單元組合的形式來表達反對稱和非球形的顆粒形狀，形成了顆粒簇或顆粒凝聚體，用這種將圓盤體或球體聚集或粘結(jié)在一起的表達形式來表征土壤粘聚性的特點。Huang在其博士論文中通過尺度分析獲得了無尺度的圖形，對土壤顆粒粘性的表征作出了顯著貢獻。

　　1.4 接觸判斷的研究進展

　　在計算某顆粒與其他顆粒的接觸作用力之前，首先應查尋與該顆粒發(fā)生接觸的所有顆粒和邊界，該過程成為接觸判斷。

　　隨著研究的進一步深入，很多學者開始研究三維離散元，為適應這一特點，Cundall提出了公共面(Common Plane，CP)的概念，這一算法首次詳細地介紹了單元間的接觸判斷算法.通過判斷單元間的CP關(guān)系來確定單元間接觸類型，以此間接地確定接觸關(guān)系。

　　Hockney和Eastwood[3]提出了接觸判斷的網(wǎng)格單元法。所謂網(wǎng)格單元法，就是按固定尺寸，將整體分析空間劃分成均勻的網(wǎng)格單元，每個顆粒都均勻的放置在網(wǎng)格內(nèi)。對于某一個顆粒來說，判斷該顆粒是否與顆�；蜻吔缃佑|，只需將其所在的網(wǎng)格及其鄰接網(wǎng)格內(nèi)的顆�；蜻吔缇�作為該顆粒的鄰居單元，只需檢查該顆粒與鄰接單元是否接觸即可。

　　1.5離散元法與其他方法耦合的研究進展

　　為了使離散元法的優(yōu)點得到發(fā)揮，近年來，很多研究人員將離散元法與其他方法耦合，這種結(jié)合技術(shù)不僅使各自的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，而且也擴展了離散元法的使用范圍。比較常見的耦合方式有：離散元法與CFD法耦合、離散元法與邊界元法耦合、離散元法與有限元法的耦合等。

　　1992年，Tsuji首次將離散元法與CFD法耦合，對解決農(nóng)業(yè)工程土壤動力學問題起到至關(guān)重要的推動作用。Dowding建立了離散元與有限元耦合模型，該模型不僅考慮了土壤顆粒的不連續(xù)性，也分析了顆粒接觸對整體變形的影響。Lemons開發(fā)了離散元法與邊界元法耦合的半平面程序，可深入分析土層斷裂導致的內(nèi)部問題。Pan提出了離散元法與有限元法結(jié)合的尺度法，可針對土壤顆粒進行微觀尺度模擬。

　　2 離散元法的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　我國針對離散元法的研究始于20世紀80年代，最初由王泳嘉在第一屆全國巖石力學數(shù)值計算機模型實驗討論會上首次介紹了離散元法的基本原理及實例。

　　針對土壤動態(tài)行為的變化過程，國內(nèi)學者也做了一些工作。徐泳等提出了土壤力學DEM仿真的基本思路。金峰等采用離散元與邊界元耦合模型研究了邊坡穩(wěn)定性。張有天等提出了一種剛體彈簧元模型，可以很好的模擬土壤的不連續(xù)性，張銳[4]等介紹了目前地面力學研究領域中離散元法在土壤機械特性動態(tài)仿真中的應用情況，分析了離散元法在土壤動態(tài)行為仿真中應用的可行性，指出離散單元法應用于土壤這樣的多相不連續(xù)復合體系中，以離散單元的總體行為來描述土壤動態(tài)行為具有獨特的優(yōu)越性，提出了離散單元法在土壤動態(tài)特征研究中的發(fā)展趨勢和近期需要解決的關(guān)鍵問題。

　　3 展望

　　離散元在土壤動力學方面的研究還處于初級階段，由于土壤構(gòu)復雜，目前還有很多問題沒有定論，特別是國內(nèi)，對離散元在土壤動力學方面的研究報道非常少。國外對離散元在土壤動力學方面的研究已有了一定進展，但還沒有建立完全符合土壤粘結(jié)特性的接觸力學模型。另外，由于土壤顆粒的復雜性，國內(nèi)很多學者將單個土壤顆粒簡化為圓盤形，這不僅影響計算精度，而且也不符合土壤顆粒實際形狀，因次，建立符合實際土壤顆粒形狀的顆粒模型是將來的一個研究方向。

　　參考文獻

　　[1]Asaf，Z.，Shmulevich，I..Soil—implement interaction using the DEM.In：Presentation at the Annual International MeetingRhode Island.Unpublished，2008.

　　[2]Favier JF，MHAbbaspour—Fard，M�盞remmer，et al.Shape Representation of Axi—symmetrical，Non—spherical Particles in Discrete Element Simulation using Multi—Element Model Particles，Engineering Computations：International Journal for Computer—aided Engineering and Software，1999，16(04)：467—480.

　　[3]RWHockney，JWEastwood.Computer Simulation Using Particles.McGraw

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