离散元法在农业工程研究中的应用现状和展望

　　摘要:现代农业装备数字化设计是农业工程领域的主要研究方向之一，农业机械与各类农业物料的接触作用及其对农业机械设计工作的影响是现代农业装备数字化设计重要内容和难点。离散元法是一种基于不连续性假设的计算机数值模拟方法。研究表明，离散元法可以用于仿真分析农业散体物料与机械装备间的相互作用关系，为现代农业装备数字化设计提供了新手段，在农业工程领域具有良好的应用前景。本文对离散元法的基本概念、发展历程及常见程序软件进行了概述，归纳分析了离散元法在模拟农业土壤与农业物料接触时的模型确定及其参数标定方法，重点阐述了各作业环节典型农业机械的离散元法应用现状和发展动态。对基于离散元的数值模拟仿真及其工业化应用推广所面临的主要问题进行了分析和总结，指出通用参数标定方法缺失和模型过度简化是离散元法进一步发展的制约因素，加强接触模型和参数标定的基础研究工作，推动专业、通用的软件平台开发，提高计算机计算和存储能力及改进离散元算法结构，从而提升模型计算效率将是今后的研究方向和工作重点。

　　关键词:离散元法;农业工程;参数标定;综述

　　0引言

　　目前，日益增长的高质量农产品需求对农业机械设计提出了更高的要求。过去通用的理论分析和经验公式与实际农业生产情况差异性较大，并且农作物季节性较强，设计的样机田间试验时间也受限。伴随着现代力学、数值方法与计算机技术的迅速发展，一系列数值模拟软件对农业工程设计的辅助作用逐渐增强，计算机数值模拟技术以其强大的优越性和适用性引起越来越多农机科研人员的关注和重视［1－3］。计算机数值模拟仿真能够一定程度上替代繁杂的田间试验，省时、省力，可精简样机试制流程，提高设计质量和效率，降低设计成本;其可视性好，可对动态工作过程进行演示和仿真计算分析，为农业机械设计提供详实的直观信息和关键数据;还可对研究对象进行多层面、多维度的深度探究，揭示宏观实验的内在机理，为现代农业装备数字化设计提供理论基础。

　　1离散元方法概述

　　1.1基本原理

　　离散元法又称离散单元法，是一种用于模拟并分析散体介质系统动力学行为的数值方法，其主要思想是将模拟介质系统(理想情况下为散状物料)看作为具有一定形状及质量的颗粒集合，并用边界壁面表示机械工作部件，通过赋予颗粒之间及颗粒与边界之间特定的接触力学模型和参数，来考虑模拟介质和工作部件不同的物理特性及其相互作用关系，然后给予一定的初始边界条件，通过跟踪各单颗粒的运动，利用颗粒间、颗粒与边界间碰撞产生的能量交换来预测颗粒群的详细运动过程，并揭示相应的介质-部件互作关系规律;其基本原理是牛顿第二定律结合不同的本构关系以反映模拟介质系统的特殊物理特性，通过动力松弛法以时间步长为单位进行显式有限差分迭代求解;其基本假设是在很短的时间步长内，颗粒的速度和加速度为恒定值，颗粒的扰动只能传递给与之相邻的颗粒，单个颗粒的形变量远小于整体介质的变形，因此模型颗粒多为刚体，用接触处的重叠量描述由接触互作产生的形变量。其基本计算流程如图1所示。首先定义颗粒、边界、接触模型及其初始化参数，然后以时间步长为单位对模型进行迭代运行，在每一个时间步长中，相邻且有接触作用的颗粒和边界首先被确定，它们之间的接触力由重叠量计算得到;接着计算颗粒所受合力和合力矩，并确定位移量和转动量，更新颗粒的位置和朝向，用于下一时间步长的计算;重复这一步骤直至最后满足用户预设的迭代量或者迭代终止条件。

　　1.2发展历程

　　1971年CUNDALL［7］提出适于岩石力学的离散元法，1979年CUNDALL等［8］又提出适用于土力学的离散元法，并推出二维圆盘程序BALL和三维圆球程序TRUBAL，其后分别发展成商业软件PFC2D和PFC3D，形成较系统的模型与方法，被称为软颗粒模型。随着PFC、EDEM等基于离散元法的商业软件成功应用，离散元技术在岩土工程、化工过程、地质灾害、矿山工程、海洋工程、农业工程、机械工程、大气科学、医疗制药、生命科学以及其他领域得到了广泛应用，有效地促进了这些学科的发展。离散元法在农业工程领域的应用发展可以分为以下几个阶段。

　　2接触模型及参数标定

　　2.1参数标定简介

　　农业工程领域涉及的典型散体颗粒包括土壤散体颗粒和农业物料颗粒。土壤颗粒受土壤种类和形态的影响性质各异。农业物料包括谷物种子、生物质、饲料、肥料、果蔬等(如表1)。同种属性的颗粒性质不完全相同，不同属性的颗粒性质更是千差万别。由于土壤颗粒和农业物料一般为易吸湿介质，其材料特性随着含水量的变化而变化，相比矿物或金属塑料等颗粒材料而言，其颗粒性质更加复杂。因此，即使同种属性的农业物料颗粒的模型及参数仍需根据实际情况分别进行建模和标定，才能保证后续模拟研究的准确性。

　　2.2土壤散体颗粒接触模型及参数标定

　　土壤在触土部件的作用下，发生变形、破碎、移动、翻转等一系列复杂行为。作为一种复杂的多相混合物，土壤在耕作过程中多表现出很强的离散特性，因此离散元法是分析外力作用下土壤动态行为变化过程的较理想方法。土壤特性可以分为物理特性、机械特性、动态特性等。在农业工程范畴内考虑较多的物理特性包括土粒密度、土壤容重、含水量和孔隙度;机械特性包括内摩擦角、内聚力、弹性模量、泊松比、抗剪强度、贯入阻力;动态特性包括土壤切削力和扰动特征。

　　3农业工程研究领域中离散元法应用现状

　　现代农业机械化作业一般包括耕整地、种植、田间管理和收获等环节，作物收获后的处理加工也是农业生产中的重要一环，各环节中典型农业机械装备与离散颗粒状农业物料的相互作用是影响其工作效率和作业性能的重要因素。不同部件的结构、作业方式、作业对象各不相同，因此对其进行性能优化的方式方法也不尽相同。表2列举了基于离散元法的典型农业机械设备优化设计实例。

　　3.1耕整地机械

　　耕整地过程是各类耕作机具的触土部件对土壤进行松动、翻转、破碎、移动等一系列作用效果的过程，为农作物的播种作业和出苗生长创造有利的条件，此过程能量消耗巨大，往往占到总农业生产能耗的一半及以上。农业土壤与触土部件间的相互作用规律是设计、选择、使用和调试耕作机具的基础，研究土壤和触土部件间的互作规律即是研究它们之间的相互作用力和作用效果，作用效果包括土壤受力后的运动规律以及机具的磨损变形程度。

　　3.2种植机械

　　种植机械包括播种机械和移栽机械两大类，主要功能为将籽粒或者种苗精准定量地放入土壤中预先设定的位置，由仿形、开沟、排种、导种、覆土、镇压等多个关键工作部件组合构成，精密种植技术要求仿形机构灵活平稳、开沟器开沟深度稳定沟形一致、排种器不漏不重、导种器投送均匀性好、覆土器覆土均匀稳定、镇压器压力适当且一致，明确排种器和导种器与种子的互作机理，其他部件与土壤的互作机理是优化设计种植机械的先决条件。相关学者主要应用离散元法对各种排种器的结构和工作参数进行仿真优化。

　　4发展趋势

　　离散元法在农业工程领域中的应用对提高农业机械设备研究和设计水平，缩短研发周期，节省试验成本，提高成品的工作性能和使用寿命等具有重大意义。如何加快推进离散元模拟仿真技术全方位走向工业应用，成为农机设计者常规使用的计算机辅助设计方法和数值计算分析方法，是下一阶段需要重点关注的问题。MARIGO等［146］指出缺乏有效准确的模型参数确定方法是制约离散元法在工业设计中广泛应用的最主要原因，其次模型中颗粒的尺寸、形状和数量等也是重要的限制条件。

　　展望

　　随着农业科技进步和发展，农业生产需要功能更多、效率更高、生产成本更低的农业机械。离散元法在农机设计和虚拟试验中发挥着极为重要的作用，目前已经成为解决与散粒体相关的问题主要研究方法之一，凡涉及颗粒流动、破碎、混合等现象的应用都可以采用离散元法得到较好的仿真分析结果。总体上，离散元法作为一种基于不连续理论的数值模拟方法，实践证明可以广泛应用于农业工程领域的许多方面，如何提高模拟方法的通用性、仿真结果的精准性以及提高模型计算效率，是未来离散元法及其应用的进一步发展趋势，具体包括:

　　(1)由于计算时间和计算机性能的限制，建模过程中简化的圆球颗粒并不足以弥补颗粒物料形状差异所产生的偏差。未来应继续深入研究物料特性的微观参数，从逼近真实物料特性的角度进行考量，重点分析颗粒间的接触与脱离，存在的相互运动、接触力与能量的联系，构建完善的颗粒体接触模型以表征颗粒体间的力学关系。

　　(2)离散元数值模拟能直观展示设备实际的工作情况，极大地提高了优化改进的工作效率。进一步推动适用于农业工程领域实际问题，基于离散元法的专业通用软件平台的开发具有重要的意义，该平台的成熟应用将解决现有软件存在的针对性不足和仿真结果跨平台通用性差等问题，为解决众多农业机械设计研究中涉及颗粒和结构的复杂向题，提供了一个高效的工具。

　　参考文献

　　［1］陈树人．计算机模拟技术及其在农业工程中的应用［M］．镇江:江苏大学出版社，2011．

　　［2］张国伟．数字化设计技术及其在农业机械设计中的应用［J］．农业技术与装备，2019(4):14－16，21．ZHANGGuowei．Digitaldesigntechnologyanditsapplicationinagriculturalmachinerydesign［J］．AgriculturalTechnology＆Equipment，2019(4):14－16，21．(inChinese)

　　［3］师丽娟，杨敏丽．基于科学计量的农业工程研究热点探析［J］．农业工程学报，2016，32(增刊2):430－438．SHILijuan，YANGMinli．AnanlysisonresearchhotspotsinagriculturalengineeringinChinabasedonscientometrics［J］．TransactionsoftheCSAE，2016，32(Supp．2):430－438．(inChinese)

　　曾智伟1马旭1曹秀龙1李泽华2王曦成1

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