基于SPH法的土壤承压测板研究

测板是水田土壤承压特性测量设备监测土壤特性的特有装置,其设计参数对测量范围和准确度具有很大影响。为此,设计了一种水田土壤承压特性测量设备,采用光滑粒子流体动力学(SPH)算法构建了导轨-水田分层土壤SPH动力学模型,并在此基础上对面积相同、形状不同的4种测板在土壤作业过程中的作用进行了分析。研究结果表明:各种测板的水田土壤承压-下陷曲线不同;在承压相同的条件下,圆形测板贯入深度最大;4种测板贯入深度相等时,圆形测板承压力最小;使用圆形测板进行测量时,范围更大,速度更快。     

水田土壤载荷-下陷特性的研究

在对土壤承压特性的两个主要影响因素(测板尺寸和形状)进行理论和试验分析的基础上,提出用“形积当量”作为测板的特征参数来综合反映测板尺寸及形状对土壤载荷-下陷关系的影响;并根据测板下土壤反力的分布规律,导出了水田土壤载荷-下陷关系式。在室内水田土槽中的试验表明:新的载荷-下陷关系式较好地反映了不同测板下水田土壤的承压特性。     

沼泽地土壤圆锥指数和剪切强度的试验研究

采用ＳＹ－１水田静载承压仪和ＤＴＣ－３６土壤动态三轴测试仪测取了大庆沼泽地区两种典型土壤的圆锥指数和剪切强度,建立了圆锥指数与贯人深度关系的数学模型,分析了含水量对剪切强度的影响及该地区车辆通过性差的原因,为研制开发适于该地区行驶的新型车辆提供了依据。     

基于SPH算法的深松铲土壤切削过程仿真及试验研究

为探明深松铲土壤切削过程中切削阻力的变化规律和了解深松铲切削土壤过程情况,基于SPH方法建立了深松铲土壤深松的有限元模型,并对其深松过程进行仿真分析。仿真结果表明:SPH法能够直观地模拟深松铲土壤切削完整过程,最大等效应力为3. 184MPa,主要集中在与深松铲接触土壤上,仿真切削阻力为3.65 k N。通过耕整地移动式田间动态试验台进行田间试验验证,得出切削阻力为3. 542 k N,与仿真结果相比误差仅为3. 05%,验证了基于SPH法进行深松铲切削土壤过程的仿真是可行的。     

基于SPH/FEM耦合算法的土壤切削仿真与研究

ANSYS/LS-DYNA仿真软件,采用SPH/FEM耦合算法模拟旋转刀具切削土壤作业过程。在Solid Works中建立刀具—土壤模型,用ANSYS/LS-DYNA进行前处理,修改K文件建立耦合模型,在LS-PREPOST中查看LS-DYNA9 7 1求解结果 ,对数据进行二次处理,分析作业过程能耗变化及应力分布,为后期优化刀具提供依据。文中土壤本构模型采用MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)材料,对材料屈服准则进行详细阐述,相比标准MohrCoulomb屈服准则,修改后的Mohr-Coulomb屈服准则引入了修正系数Ahyp,分析了Ahyp取值对屈服面的影响,得出Ahyp与土壤内聚力和内摩擦角关系;阐述SPH算法和SPH/FEM耦合算法,分别用FEM算法、SPH算法和SPH/FEM耦合算法模拟土壤切削过程。结果表明:在土壤切削前期,网格没有发生畸变时,3种方法模拟结果相近,随着有限元网格发生畸变,FEM算法产生了误差,验证了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真过程中的可行性与准确性。     

三峡山地土壤水分特征曲线及模型拟合

为揭示土壤涵养水源的机制,并为山区生态治理提供依据,以三峡库首大老岭和夷陵山地为研究区,采集温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、茶园地和暖性针叶林黄壤的原状土样,通过离心法分析并拟合了山地土壤的水分特征曲线。结果表明,三峡山地土壤随吸力增大,土壤含水率呈先迅速降低后趋于平缓的变化规律。黄壤的持水性较差,黄棕壤相对于其他林地土壤有着更强的持水性。茶园持水能力比棕壤和黄棕壤差,与黄壤差异较小。孔隙分布随土壤剖面深度的增加而减少。大孔隙以黄壤体积比最大,其次是黄棕壤和棕壤,茶园最小。用van Genuchten模型拟合山地土壤的水分特征曲线,决定系数R2均大于0.95,模型可靠性高。van Genuchten模型参数n与有机质(P0.05)和粉粒(P0.05)的相关性较高,参数α与理化性质相关性较差。     

水田土壤圆锥指数测量间距合适值的确定研究

采用静载式水田土壤承压仪对不同地区水田土壤进行试验,经分析计算,求得水田土壤圆锥指数测量间距的合适值,可在保证较高的数值精度前提下减少测量采样的工作量,以准确描述不同田块的土壤强度。     

拖拉机铸造履带板磨料磨损特性的研究

本文在试验基础上比较了几种拖拉机铸造履带板材料的磨料磨损特性,对几种拖拉机履带板材料进行实验室和田间磨损试验的结果表明:含碳量较高(约0.35％)及含硫量较低(约0.02％)的31Mn2Si铸钢的耐磨性较好,增加淬火及回火温度对耐磨性不利。Mn7也是一种合适的履带板材料且特别适用于在水田中工作。这两种材料都可考虑作为常用的高锰钢履带板的代用材料。 田间试验表明:拖拉机工作的土壤类型和条件不同,履带板会在不同部位“优先磨损”。微观分析指出:履带板表面的磨损是多种类型磨损机理的综合结果。在水田中使用的履带板磨损表面除了经受磨料颗粒压入并磨损以外还要经受腐蚀的作用。这种腐蚀明显地加速了磨损过程。     

油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装置研究

针对油菜直播地表农田土壤物理机械特性参数室内测量费时费力、田间测量仪器功能单一等问题,设计了一种油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装置,实现集成测量土壤含水率、坚实度、粘聚力和内摩擦角4种土壤物理机械特性参数且测量结果可以通过手机APP实时储存显示。装置基于自走式移动平台实现行走控制,以STM32单片机为核心控制器,利用FDR传感器获取土壤含水率,通过圆锥贯入部件测量土壤坚实度和抗剪切强度参数(包括粘聚力和内摩擦角)。分析了装置的圆锥贯入部件和土壤含水率检测部件测量原理,设计了装置测量控制系统硬件电路及软件,开展了传感器标定试验,确定了柱式压力传感器、薄膜压力传感器和土壤水分传感器的输入输出响应关系。选取71个土壤样本,融合土壤含水率和基于圆锥受力平衡关系获取的摩擦因数,运用最小二乘法建立了土壤粘聚力和内摩擦角数学测量模型,模型决定系数R²分别为0.932和0.956。开展了装置田间测量试验,对土壤含水率、坚实度、粘聚力和内摩擦角进行集成测量,结果表明：相较于AYD-2型土壤坚实度仪、干燥箱干燥法和ZJ-D型直剪仪测量结果,油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装...     

土壤耕作部件极窄刀齿与土壤作用关系研究

随着保护性耕作技术和低扰动土壤处理技术的发展,新型土壤耕作部件越来越多地采用窄类或极窄类刀齿形式。通过理论分析和室内土槽试验,对矩形齿和三角形齿两种极窄刀齿贯入土壤造成的土壤失效机理、刀齿工作时的主要阻力来源、刀齿形状尺寸参数对贯入阻力的影响以及刀齿贯入阻力预测模型进行了研究。结果发现,极窄刀齿在贯入土壤过程中,土壤与刀齿相互作用产生应力场和速度场,土壤主要受到刀齿的挤压而失效;刀齿所受阻力可以通过相互作用过程中产生的力学分量进行预测,特别是该预测模型能够较好地反映刀齿在不同深度下所受阻力的变化趋势,研究还发现在土壤参数一定的情况下,极窄刀齿所受阻力与刀齿和土壤的接触面积直接相关,极窄刀齿的形状尺寸参数是其受力的重要影响因素。     

微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

针对微耕机旋耕作业部件与水田土壤间的作用机理研究匮乏,作业过程出现碎土性能差、效率低、和功耗大等问题,以1WGQ4型微耕机为对象,采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)的耦合方法,构建土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型,在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析。结果表明:构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高;水田旋耕刀片向后抛起的土壤少,与挡板碰撞破碎的土壤少,水田微耕机采用前耕后驱设计方案有利于提高其碎土性能。     

基于SPH法的植保机高花纹轮牵引性能研究

植保机存在水稻田土壤时行走困难,牵引性能差等问题,以植保机高花纹驱动轮为研究对象,基于SPH(光滑流体粒子动力学法)建立植保机驱动轮-土壤有限元模型,以植保机高花纹轮结构参数中花纹深度,花纹倾斜角及花纹宽度为三个因素,以挂钩牵引力和牵引效率为牵引性能指标,利用ANSYS显式动力学求解模块LS-DYNA对驱动轮在水稻田土间行走进行仿真分析,通过正交试验法分析各因素对驱动轮土壤间行走牵引性能的影响规律,经过多目标优化,花纹深度50 mm、花纹倾斜角为80°、花纹宽度121.87 mm时可以获得最优的牵引性能,较原始值挂钩牵引力提高249 N,牵引效率提高15.51%,该结果为后期的驱动轮结构设计优化提供参考。     

基于近红外傅里叶特征提取方法的土壤含水率检测

以湖北地区的3种土壤为研究对象,利用偏最小二乘法建立了处理后样品的土壤含水率分析模型,模型预测值与标准值的决定系数为0.995,交叉验证预测均方差为0.801%,模型预测决定系数为0.992,预测均方差为0.912%,利用该模型预测黄土高原地区黄绵土含水率误差均大于4%.利用近红外光谱傅里叶变换特征提取方法对湖北地区黄棕壤、稻田土和潮土建立土壤含水率PLS预测模型,模型决定系数为0.988,交叉验证预测均方差为1.106%,且该模型预测黄绵土的误差均在2%左右,精度较传统模型有较大提高.     

Geospatial estimation of soil moisture in rain-fed paddy fields using SCS-CN-based model

Paddy fields are characterized by standing water and saturation condition during the entire crop growth period. However, in sub-humid and semi-arid areas, scarce rainfall and intermittent dry spells often cause soil moisture depletion resulting in unsaturated condition in the fields. These distinctive characteristics of the paddy fields have significant influence on the runoff generation and soil moisture retention characteristics of the watershed. In this study, the objective is to extend the application of the Soil Conservation Services Curve Number (SCS-CN)-based models for the geospatial and temporal simulation of soil moisture to paddy field-dominated agricultural watersheds in the water scarce areas. Different SCS-CN-based models, integrated with the soil moisture balance equation, are used to estimate the surface runoff and soil moisture content wherein, the spatial variation in the soil hydraulic characteristics is used to calculate the geospatial variation in soil moisture content. Physical significance of the terms initial abstraction (I_a) and potential maximum retention (S) in these models and their influence on the estimation of runoff and soil moisture are analysed in detail. A new SCS-CN-based model for soil moisture simulation (SCS-CN-SMS), to improve the soil moisture estimation, is proposed in this paper. The proposed model is built up on the soil moisture balance equation to account for the effect of ponding condition and soil moisture variation between the dry and saturation condition. The method is tested with 3 years observed surface runoff data and crop production statistics from a part of the Gandeshwari sub-watershed in West Bengal, India. The entire study area is divided into cells of 20 m × 20 m. Various components of the soil moisture balance equation are estimated for each cell as a function of the soil moisture content. Remote Sensing Technique and Geographic Information System (GIS) are used to extract and integrate the spatially distributed land use and soil characteristics. The Hortonion overland flow concept adopted in the SCS-CN method is used to estimate the soil hydraulic characteristics of each cell in which the curve number is used to infer the spatial variation of the land use and soil characteristics. Even though the original SCS-CN method and the existing modified versions are efficient for runoff estimation, these models are found to be inappropriate for the estimation of soil moisture distribution. On the other hand, the proposed SCS-CN-SMS model gives better results for both runoff and soil moisture simulation and is, therefore, more suitable for the hydrological modeling of paddy field-dominated agricultural watersheds.     

基于EPR数据挖掘方法的稻田土壤重金属镉向水相析出特征

以湘中矿区典型重金属镉超标水稻田为研究对象进行原位实验,分析稻田淹水期土壤重金属镉向水相析出特征。基于统计及遗传编程方法的EPR数据挖掘技术,建立镉析出质量浓度与温度影响因子关系方程。结果表明,温度是镉向水相析出质量浓度的重要影响因子,相比传统的统计方法建立的线性及非线性方程,EPR具有一定的预测优势。稻田淹水期水温达到30℃时,溶解态镉质量浓度接近生活饮用水标准的限值,是地表饮用水水质安全的潜在威胁。     

土壤切削大变形的三维数值仿真

对近年来有关土壤切削仿真的研究进行总结，并介绍自适应网格划分、ALE以及SPH等3种解决大变形的方法；在此基础上，针对一个简化的切削模型，对3种方法进行土壤切削仿真的结果进行分析和比较；最后着重以某室内模型盾构刀盘刀具和上海地区软粘土，利用ALE方法进行盾构刀盘刀具的大规模三维切削仿真分析。仿真计算基于LS—DYNA970 MPP软件和“曙光4000A”超级计算机，结果表明，3种不同的方法在解决土壤切削大变形时各有特点，其中ALE方法在更为细致的软粘土盾构三维开挖仿真中得到的结果与试验数据较为一致。     

基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型

针对土壤采用整体建模方法建模,木薯块根拔起过程动力学仿真精度受限及耕作层表土材料建模参数测定困难的问题,采用物理试验、FEM和光滑粒子流体动力学方法 (Smoothed particle hydrodynamics,SPH)的耦合方法,建立土壤硬度测试系统动力学仿真模型,对木薯种植地耕作层土壤建模材料参数弹性模量进行了反求。同时,建立了基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型,且和采用整体建模方法建立的木薯块根拔起系统动力学仿真模型进行了精度比较。结果表明:建模材料参数弹性模量的反求方法有效,基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型精度高。