基于离散元非线性弹塑性接触模型的免耕土壤参数标定

为了进一步提升基于离散元法对免耕作业机具与土壤互作关系研究的准确性，以华北麦玉两熟区免耕壤土为研究对象，基于离散元软件（Discrete Element Modeling,DEM）扩展的The Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion非线性弹塑性接触模型开展常年免耕农田土壤离散元仿真模型参数标定研究。应用Plackett-Burman设计敏感性分析试验，选择对土壤压板试验沉陷量影响显著的关键参数（即土壤颗粒恢复系数、土壤颗粒-颗粒静摩擦系数、土壤颗粒表面能和土壤颗粒-颗粒塑性变形比），以土壤压板试验沉陷量为评价指标，应用Box-Behnken试验建立了沉陷量与4个显著性参数的二次多项式回归模型，以物理试验得到的实际沉陷量6.2 mm为目标值，对显著性参数进行寻优，得到最优组合为：土壤颗粒恢复系数为0.47，土壤颗粒-颗粒间静摩擦系数为0.62，土壤颗粒表面能为6.12 J/m2，土壤颗粒塑性变形比为0.41。最后通过标定优化的参数进行土壤颗粒应力传递试验，与室内试验结果对比发现，仿真的土壤颗粒接触传力特性与实际土壤压实过程中应力传递差别较小，误差范围在9.21%以内，并对比分析仿真和实测的土壤应力传递特性曲线的拟合情况，两者之间的决定系数R2为0.91，表明两条曲线的拟合相似度较高，验证了免耕土壤参数标定的准确可靠，参数标定后的离散元免耕土壤模型精确度高。研究可为快速构建免耕模式下的土壤离散元模型及免耕农机装备优化提供技术支撑。