粘性土壤破碎机理及分形规律研究

粘性土壤广泛分布于我们的长江流域,粘性土壤耕作是农业生产的必要环节,也是农业生产中能源消耗最大的环节。如何降低粘性土壤耕作或土壤加工机械的能源消耗,就成了人们普遍关注的问题。“耕作能效比”(Tillage efficiency)用于评价生成理想状态耕作层所需要的最优能量输入,也可以用于比较不同耕作部件的破碎土壤效率。该指标的一个关键的方面是土壤在机械作用下的破碎行为,然而目前对土壤的破碎机理的认识仍然十分有限。 本文从土壤的冲击破碎实验入手,获取不同试验条件下标准试验土样的破碎表征,从而在一定程度上描述耕作土壤的破碎机理；冲击破碎试验采用合理的尺度控制,同时为被试土壤样品的尺度与筛分尺度控制提供规范的约定,对冲击破碎过程中的总能、比能、冲击行程、落锤质量及含水率之间的相互关系进行研究；并对土壤破碎体分形维数与含水率、破碎比能、落锤质量及冲击行程之间关系进行分析,将冲击力作用下形成的破碎体尺度分布与气候、植被形成的土壤破碎体分形维数对比说明。 构建室内模拟耕作试验台,对土壤进行模拟切削试验,获得不同状态的土壤在微型刀具切削作用下的破碎失效规律,设计制作包含了机械结构设计、液压系统、电路控制、测控系统、传感器的数据采集的微型切削实验台,并通过对土壤基的测试及数据的采集,获得实际切削土壤的力与位移的阻力参数,验证了本实验设计制作的可行性和工作的可靠性；设计正交试验研究切削方式对切削阻力的影响。 采用离散单元法来模拟圆盘或球形颗粒运动及其相互作用,可以弥补实验研究的不足,对土壤力学行为的研究具有重要的意义。对离散单元法的基本思想以及分析方法进行了介绍,对离散单元发的接触分析进行了重点介绍；给出了颗粒流程序模拟基本参数确定方法和土壤模拟问题的一般步骤；在了解离散单元法相关理论的基础上,利用PFC2D建立土壤切削过程的离散元动力学模型,并对土壤切削过程过程进行相关模拟,通过FISH子程序研究切削过程中土壤裂纹的产生,试图采用数值分析方法对土壤破碎规律进行研究,为进一步研究土壤破碎态耕作的技术提供了新的思路和有益借鉴。