分层深松铲前后铲距对土壤扰动行为影响的仿真与试验

前后铲距是分层深松铲的关键参数之一,会对土壤扰动行为产生重要影响。为此,综合运用离散元仿真和数字化土槽试验,研究了前后铲距对土壤宏、微观扰动行为的影响。结果表明:当前后铲距为350mm时,耕作比阻及不同层土壤颗粒在耕作方向上的最大位移相对较小,犁底层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移和侧向方向上的最大位移相对较大,耕作层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移相对较小;5个不同前后铲距下土壤膨松度、土壤扰动系数、耕作阻力和耕作比阻的试验和仿真结果的平均误差分别为12.41%、13.61%、13.84%、3.34%,离散元仿真能够较为准确地模拟分层深松土壤的扰动过程。     

保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验

针对东北地区深松整地作业中,深松铲土壤扰动量和耕作阻力大的问题,以离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据,设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了刃部、切削刃角、入土角,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了分层的可行性与合理性。土槽对比试验表明,拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力,比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.6%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验表明,拟合曲线型深松铲比折线式深松铲回土面积增加了81.03%,比圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95%。土槽和田间试验表明,拟合曲线型深松铲土壤扰动量小、耕作阻力小,满足深松作业的要求。     

深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究

深松深度是深松作业的重要评价指标之一,可对土壤扰动产生重要影响。为此,以凿型深松铲为研究对象,综合使用离散元仿真和土槽试验方法,利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标,研究不同深松深度对土壤扰动的影响。结果表明:1土壤扰动轮廓截面曲线基本吻合,土壤坑形轮廓宽度和土壤垄形轮廓高度随深松深度的增加而增大;2土壤蓬松度随深松深度的增加逐渐减小,土壤扰动系数随深松深度的增加逐渐增大,且试验和仿真得到的结果一致;3地表平整度随着深松深度的增加而逐渐增大,且试验与仿真结果的趋势一致。本研究可以为深入理解深松土壤扰动过程提供决策依据。     

玉米秸秆还田交互式分层深松铲设计与离散元仿真

在玉米秸秆还田条件下,为了提高深松作业破茬比率,降低土壤扰动与能耗,以物料(土壤、秸秆和根茬)特性、滑切原理和离散元(EDEM)仿真分析深松铲对土壤的作用为依据,设计了交互式分层深松铲。首先,根据物料特性与滑切原理得到前铲结构参数;然后,以前铲仿真过程中回流土壤最大加速度的位置和方向为依据,设计与回流土壤形成滑切交互作用的后铲交互段铲柄,同时设计后铲上下段铲柄,得到后铲结构参数;最后,结合前铲运动速度与土壤颗粒回流至最大加速度的时间确定前后铲处于滑切交互时的间距。将交互式分层深松铲与前铲仿真过程中所选土壤颗粒最大加速度的方向进行对比,验证了设计思路的合理性。离散元仿真对比试验表明,交互式分层深松铲可有效降低土壤扰动;比普通分层深松铲、圆弧型单铲对根茬的平均作用力分别提高了22.14%、26.98%;比非交互式分层深松铲、普通分层深松铲、圆弧型单铲的平均阻力分别减小了14.25%、26.02%、8.71%。交互式分层深松铲破茬比率高、土壤扰动小、能耗低,满足深松作业的要求。     

以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖（T-S）在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%～17.06%。     

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析

以轻型凿式深松铲为研究对象,利用EDEM建立其离散元仿真模型,确定深松铲土壤深松作业过程中的耕作载荷组成,并采用单因素试验方法分析了入土深度及作业速度对土壤耕作载荷的影响。结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进阻力及垂直阻力组成,土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深度的增大而增大,且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系;同时,土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的增大及作业速度的减小而减小。该研究可为深松铲的研究提供一定的依据。     

垂直线源入渗土壤水分分布特性模拟

基于非饱和土壤水动力学理论,利用Hydrus-2D软件分析了垂直线源入渗条件下的土壤水分分布特征。通过试验对比验证,反推出试验土壤的水力参数。结果表明,Hydrus-2D软件可用于垂直线源入渗土壤水分分布特征的模拟,且精度较好。对不同灌水技术要素条件下的垂直线源入渗土壤水分分布特征进行模拟研究,结果表明,垂直线源入渗条件下,不同质地土壤的湿润体形状差别不大,大小有明显的差别：砂壤土和粘壤土的水平湿润半径分别是砂土的0.59和0.24,垂直湿润深度分别是砂土的0.42和0.31;在不同线源埋深情况下,土壤湿润体的形状和大小差别不大,湿润体的位置有显著的差别,当埋深增加5cm,砂土、砂壤土、粘壤土的垂直湿润深度分别增加6%、11.5%、16%;线源长度和直径对土壤水分分布影响较大,其中线源长度主要影响垂直湿润深度,线源直径主要影响水平湿润半径;初始含水率高时,相同断面处的含水率增大;在相同入渗时段内,湿润锋水平运移距离和垂直运移距离随土壤初始含水率的增大而增大。     

基于田间摄像的多参数水稻土深松扰动行为与效应研究

耕作机具的土壤扰动行为密切联系土壤失效机理与耕作效应,是优化耕作系统的重要依据。本研究通过土壤耕作原位综合测试平台开展单铲深松试验,从5个方位录制深松视频,同时配合使用微地貌测试、耕作阻力测试、EDEM仿真、深松扰动剖面土壤紧实度测试和深松理论检验,探究深松铲入土角α和耕深D对水稻土深松扰动过程、土壤失效机理及深松效应的影响。结果表明,摄像法提取的纵向碎土距离R、扰动宽度W及抬土高度H与α和D显著相关,可用于水稻土深松扰动行为的定量表述。摄像法显示水稻土难以脆性断裂,铲两侧发生非对称性土壤剪切失效。土壤沿曲柄攀升,抬土高度H随α增大,随D减小,表明深松铲的设计参数和作业参数同时影响抬土能力。R随对应耕深范围内铲的纵向水平长度L线性增加,W随α线性增加。地表平整度S和扰动宽度W均在耕深20 cm时最大。深松土壤扰动行为的EDEM仿真从微观层面再现了摄像法记录的非对称性失效、侧向挤压失效和深松新月形失效现象,表明该离散元模型用于解析水稻土深松力学的科学性。EDEM仿真进一步显示出应力集中区沿铲尖与铲柄破土刃周期性上下移动,同时也对铲下方底层土造成挤压。深松扰动剖面土壤紧实度等值线图验证了仿真过程中铲尖下方形成的土壤压实带,并直观展示出耕深30 cm时,犁底层土壤因侧向挤压流变形成的沟槽状紧实壁面。本文结合田间原位摄像法的多参数测试研究可为深松铲和耕作系统的优化提供依据。     

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验

翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一,其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验,研究了翼铲安装高度(55、75、95、115、135 mm)对深松土壤扰动行为的影响。结果表明:随着翼铲安装高度增加,耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小,在翼铲安装高度为75 mm时最大,水平耕作阻力逐渐减小,深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源(90%以上),其随翼铲安装高度增大逐渐减小;翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移,当翼铲安装高度为75 mm时,深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小,其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大,表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小;翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响,且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程,5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。     

深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验

分析深松土壤的扰动行为是深入研究深松铲-土壤互作用规律的基础。采用离散元方法建立深松工作模型,结合高速摄影技术及室内土槽试验,对比分析了不同位置深松土壤的微观运动及宏观扰动行为。结果表明,土壤的扰动范围随土壤与深松铲之间距离的增大而减小;不同位置土壤的扰动范围由大到小依次为:浅层、中层、深层;在深松范围内,土壤的运动速度随土壤与深松铲之间距离的增大而逐渐减小,等速度土壤颗粒的分布曲线与深松铲的铲柄弧线基本吻合;不同深度土层土壤颗粒在不同方向上的平均运动速度为:在x方向上由大到小依次为浅层、中层、深层,在y方向上由大到小依次为中层、浅层、深层,在z方向上由大到小依次为深层、中层、浅层;离散元仿真能够较准确模拟深松土壤的扰动行为,仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差分别为13.21%、17.38%;地表土壤纵向堆积角的仿真值与试验值的相对误差为9.42%。     

深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少，深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题，结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性，利用离散元虚拟仿真试验，堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型，建立了滑切深松铲-土壤耕作模型，并通过对比虚拟仿真试验，研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明：在相同的作业条件下，滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用，且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓，同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果，进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。     

基于离散元深松土壤模型的折线破土刃深松铲研究

针对目前华北平原壤土区应用的深松铲作业阻力大、能耗高、平整度差、深松后形成的缝隙过大不利于保墒等问题,基于耕作层、犁底层和心土层土层厚度及土壤物理性质不同,设计了一种有效减阻降耗的折线破土刃深松铲。运用离散元法建立深松土壤模型,设定土壤颗粒接触模型,测定耕作层、犁底层和心土层3层土壤颗粒虚拟仿真参数。应用EDEM软件进行深松铲性能虚拟仿真,检验了破土刃切削刃角θ与滑切角φ最优效果。相比圆弧形深松铲,折线破土刃深松铲对土壤颗粒冲击较小,降低了土层扰动量,降低了牵引阻力,地表平整度与沟槽宽度均明显优于圆弧形深松铲;田间试验结果表明,折线破土刃深松铲有效降低了犁底层的容重和紧实度,比圆弧形深松铲作业阻力减少了11.52%,作业稳定性、可靠性较好。田间试验与仿真试验对比结果证明离散元三层深松土壤模型基本满足深松铲性能试验。     

基于EDEM的凿式犁铲土壤扰动仿真分析与试验

为探究凿式犁铲（以下简称凿铲）的土壤扰动机理并构建适用于东北地区黏重黑土与耕作部件之间的仿真模型,结合EDEM仿真分析与土槽试验,与深松铲作业效果进行对比,研究凿铲对土壤的微观扰动机理和宏观扰动状态,并建立适宜东北地区土壤的耕作仿真模型。仿真与试验结果表明,深松铲对土壤进行剪切破坏,将耕作层和犁底层抬升、下落,对土壤松而不翻,不破坏原有的耕层土壤结构,土壤膨松度试验值为12.4%,土壤扰动系数试验值为59.4%,纵向截面扰动面积为52.586mm2,俯视视图扰动面积为116.779mm2;凿铲对土壤进行挤压破坏,将犁底层土壤翻耕到地表,破坏原有耕层土壤结构,土壤膨松度试验值为14.1%,土壤扰动系数试验值为64.1%,纵向截面扰动面积为54.128mm2,俯视视图扰动面积为233.061mm2,通过与深松铲作业后数据相比可知,凿铲可以实现更为明显的土壤扰动效果。同时,建立东北地区黏重黑土条件下的离散元土壤耕作模型,选用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型作为土壤接触模型,确定仿真模型的各项技术参数,仿真与试验得到的土壤扰动截面轮廓基本拟合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差为17%、4.4%,模拟仿真的数据误差范围满足要求,研究可为东北地区的土壤耕作部件离散元模拟仿真分析提供基础数据。     

基于HYDRUS—2D的负压灌溉土壤水分入渗数值模拟

依据土壤水动力学理论,结合负压灌溉条件下土壤水分运动特征,建立了土壤水分入渗模型。利用HYDRUS-2D对所建模型求解,并模拟在负压地下灌溉下,水分在土壤垂直剖面随时间的入渗变化规律。将模拟结果与试验测量结果进行对比验证,结果表明,两者相对误差为2%~4%,所建模型可以有效描述负压地下灌溉条件下土壤水分入渗规律。利用该模型模拟研究了不同灌水器半径(8、10、12 cm)和不同土质(北京地区土壤和基质)下土壤水分的入渗情况。结果表明:灌水器半径是影响土壤水分入渗的显著性因素。灌水器半径越大,水分入渗速率越快。灌水器尺寸对入渗起始时的入渗延迟有较大影响,灌水器半径越大,延迟越小。土壤水分入渗速率与灌水器半径呈正相关。     

铲距对深松铲表面应力及其分布状态的影响

铲距是深松机的关键结构参数,其在深松过程中对深松铲表面应力的变化产生重要影响。本研究以箭形深松铲为对象,采用ANSYS软件,研究铲距对深松铲表面应力及其分布状态的影响。结果表明:(1)当载荷相同时,深松铲受到的平均应力随铲距的增大呈先增大后减小的趋势,铲距对深松铲平均应变量的影响较小;降低深松耕作阻力的水平分力有利于减小深松铲的表面应力,延长深松铲的使用寿命;(2)相对于300mm与500mm铲距,当铲距为400mm时深松铲的表面应力分布较为均匀,应力集中区域较少;(3)提高铲柄切土刃、铲尖与铲柄的接合处、螺栓安装孔的材料强度,有利于增加深松铲的使用寿命。本研究可以为提高深松铲使用寿命,优化深松机布局方式提供依据。     

含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究

【目的】研究土壤含钠盐量变化及钠盐含量垂向异性对土壤水分入渗特性的影响,以期为海涂盐渍土水土资源高效利用与保护提供理论依据。【方法】设置土壤含钠盐量垂向均质及垂向异质变化共6个处理,采用恒定水头入渗法进行土壤水分入渗试验。主要从入渗速率、累积入渗量及湿润峰距离3方面对土壤水分入渗特性进行分析讨论与模拟。【结果】对于盐分分布均匀的土壤,入渗初期水分入渗速率与土壤含盐量有显著关系,但对于盐分含盐量垂直分层土,土壤盐分含盐量与水分入渗速率关系较为复杂。在相同入渗时间内,盐分均质土累积入渗量随土壤含盐量增大呈显著降低趋势;对于盐分含盐量分层土壤,盐分含盐量垂向减小土壤累积入渗量大于盐分浓度垂向增加土壤,且土壤剖面垂向盐分含盐量变化对水分累积入渗量影响相比土壤盐分含盐量均匀变化对入渗过程的影响更显著。土壤湿润锋深度随入渗时间延长而增大,且在入渗初期速度较快,随后逐渐缓慢,最后趋于平缓,上层土壤盐分浓度对湿润锋深度影响较大。【结论】结合盐分均匀变化及垂向异质性变化土壤定水头入渗试验,明确了土壤孔隙水分运动与盐分浓度变化的响应规律。土壤垂向理化性质改变对水分入渗过程具有一定影响,同时利用Kostiakov入渗经验公式和简略Philip入渗方程可以较好地拟合该入渗过程。     

红壤涌泉灌水分入渗试验及数值模拟

为了探索红壤涌泉灌的水分入渗规律,进行了不同流量下涌泉灌的水分入渗试验,依据非饱和土壤水分运动理论建立土壤入渗数学模型,采用软件HYDRUS-3D进行了求解,在模型验证后,采用数值模拟方法研究土壤水分入渗运动。模型验证说明:土壤含水率的模拟值与实测值相对误差较小,两种结果的吻合度比较高,涌泉灌土壤水分运动可以用该模型来模拟。数值模拟结果说明:随流量的增加,土壤水分运动特征值随之增大;随着时间的延长增减的幅度变小;入流量越大,湿润锋运移速度越快,土壤含水率增加的速率越大;当入渗达到稳定时,土壤含水率与流量呈等比例增加的关系。     

错位布置深松铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响

铲距是深松机的关键布置参数,对深松耕作阻力和土壤扰动效果会产生重要影响。为此,借助田间试验的方法,通过分析错位布置深松铲在不同横向和纵向铲距作业下土壤坑形宽度、土壤垄型高度、土壤扰动面积、耕作阻力及比阻等的差异,研究不同布置铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响。试验结果表明:前铲的土壤扰动作用大于后铲,前铲的土壤垄型高度和坑形宽度大于后铲;横向与纵向铲距较小时,土壤易堆积且双铲的土壤扰动作用会发生部分抵消;铲距较大时,双铲协同作用较小且力矩较大;二者均导致土壤的坑形宽度变小,垄形高度和耕作阻力变大,降低耕作效果;当横向铲距和纵向铲距布置分别为35cm和30cm时,垄形高度最低、比阻最小,土壤扰动及耕作阻力的综合效果较好。本研究可为深松铲的优化布局提供一定的参考依据。     

基于HYDRUS-3D模型的微润灌溉土壤水分入渗模拟

掌握土壤水分入渗规律对于合理制定灌溉方案、设置灌溉参数和改进灌溉技术有重要意义。为探究微润灌溉条件下土壤水分入渗规律,利用HYDRUS-3D有限元模型对微润灌溉下土壤水分入渗进行了数值模拟,讨论了初始压力水头和土壤质地对土壤水分入渗的影响。数值模拟结果显示：在土壤水分入渗的垂直剖面上湿润体以微润管为中心呈同心圆状向外扩散,扩散速率与初始压力水头呈正相关。模拟试验周期为36h,分3个时间段进行土壤水分扩散速率的计算,0~5h内土壤水分平均入渗速率为1.85cm/h,6~15h内的平均入渗速率为0.79cm/h,16~36h内的平均水分入渗速率为0.59cm/h。土壤含水率最大值出现在微润管周围,向外围呈减小趋势。相同时间内土壤湿润峰运移距离随初始压力水头的增大而增大,微润灌溉下水分入渗速率在3种质地的土壤（砂壤土、壤土、粘壤土）中依次增大,并测得在压力水头为-180cm时整个模拟周期中3种质地土壤的平均水分扩散速率分别为：0.69、0.53、0.46cm/h。研究表明,土壤含水率和水分扩散速率随压力水头的增大而增大,随土壤黏粒含量的增大而减小。     

基于EDEM离散元法的深松铲仿真与试验研究

为验证采用离散元法分析深松铲工作过程的可靠性和有效性,本文应用EDEM离散元分析软件研究深松铲的工作过程和耕作阻力,分析不同工作速度、不同耕作深度、不同入土角度条件下深松铲的工作情况;进行深松铲田间试验,并将仿真结果与试验结果进行分析比较。结果表明,仿真分析结果与试验测试结果的变化趋势基本一致,耕作阻力随着工作速度和耕作深度的增大而增大,随着入土角度的增大而减小;数值结果误差在5%~15%之间。证明采用离散元法分析深松铲在土壤中工作过程的可行性。该研究结果为进一步研究农机触土部件的减阻耐磨和优化设计提供参考。