FEM-SPG耦合建模与玉米根系-土壤复合体的加固效应

《Biosystems Engineering》：FEM-SPG coupling modelling and reinforced soil effect of maize root-soil composite

玉米根土复合体FEM-SPG耦合模型研究|摘要：基于FEM-SPG耦合模型，模拟玉米根土复合体切割过程，验证剪切特性与根土接触面积及分布均匀性相关，有效半径可预测最大剪切强度深度，为农具优化提供理论依据。

　　本研究聚焦于保护性耕作系统中玉米根-土壤复合体对播种作业质量的影响问题。在保护性耕作模式下，农田中残留的玉米根茬与周围土壤共同形成根-土壤复合体，这对播种过程的顺畅性和作业效果产生显著影响。因此，如何有效管理这些根茬，以提高播种设备的作业效率和可靠性，成为农业工程领域的重要课题。本研究通过建立一种结合有限元法（FEM）和光滑粒子伽辽金法（SPG）的动态模拟模型，对玉米根-土壤复合体的切割特性进行了深入分析，并验证了模型的准确性。

保护性耕作系统是当前全球农业可持续发展的重要实践之一，尤其在东北黑土区，该系统被广泛采用以提高土壤质量和作物产量。该系统通过保留作物残茬来维持土壤表层覆盖，从而减少水土流失和土壤侵蚀，同时改善土壤结构，增强其持水能力和气体交换能力。然而，残留的根茬在播种过程中会带来一定的障碍，影响播种质量。因此，合理设计和优化播种设备，使其能够有效处理这些根茬，成为提升保护性耕作系统作业效率的关键。

根-土壤复合体的形成是由于作物根系在土壤中生长并相互交织，最终与周围土壤结合。根系在土壤中具有重要的结构支撑作用，能够增强土壤的抗剪切能力。然而，由于根系与土壤之间的物理连接和材料特性存在差异，模拟这种复合体的机械行为具有较大挑战。传统的有限元法在处理这类问题时存在局限性，因为其假设土壤为连续介质，无法准确模拟土壤颗粒的离散性行为。相比之下，光滑粒子伽辽金法作为一种无网格的离散粒子模拟方法，能够更好地描述土壤颗粒的运动和相互作用。

本研究提出了一种将FEM与SPG方法相结合的耦合模型，以模拟玉米根-土壤复合体的切割过程。通过构建三维实体模型，将土壤离散为SPG粒子，并根据实测数据对根茬进行有限元网格划分，赋予其不同的材料属性。同时，基于纤维增强复合材料的力学特性，将根和土壤模型通过接触设置进行耦合，以更真实地反映其相互作用。为了克服FEM与SPG方法在耦合过程中可能出现的非唯一解问题，采用共节点技术进行处理。该方法能够有效协调两种模型之间的数据交换，提高模拟的稳定性和准确性。

为了验证模型的可靠性，研究团队在实际田间条件下进行了直接剪切试验。试验结果表明，SPG-FEM模型所预测的剪切应力和力与实测数据高度吻合，说明该模型能够较好地模拟根-土壤复合体在切割过程中的力学行为。此外，研究发现根系对土壤的加固能力与其与土壤的接触面积及分布均匀性密切相关。因此，可以通过有效周长的概念来预测根-土壤复合体的最大剪切强度深度，从而为保护性耕作设备的设计提供理论依据。

本研究的成果对于提高农业机械作业过程中对根-土壤复合体的模拟精度具有重要意义。通过对根-土壤复合体的结构和力学行为进行深入分析，可以更准确地预测播种设备在实际作业中的性能表现，为设备优化设计提供支持。同时，该研究也为进一步探索其他作物根-土壤复合体的力学特性提供了参考框架，有助于推动农业工程领域在可持续耕作技术方面的创新发展。

在农业工程领域，数字模拟技术的应用日益广泛，其优势在于能够不受季节和天气条件的影响，实现全年候的模拟分析。此外，经过充分验证的模拟模型可以为农业机械的设计和改进提供详细的数据支持。然而，目前针对根-土壤复合体的模拟研究仍处于起步阶段，尤其是在工具切割效应方面的建模仍然较为薄弱。因此，本研究通过引入SPG-FEM耦合方法，填补了这一研究空白，为今后相关研究提供了新的思路和技术手段。

本研究采用的SPG方法是一种基于粒子的无网格模拟技术，具有较强的适应性和灵活性。该方法通过直接节点积分（DNI）技术，能够有效处理材料变形过程中的离散颗粒行为。为了克服DNI技术在计算过程中可能出现的秩损失问题，SPG方法引入了应变梯度稳定化算子，该算子基于位移平滑理论，通过惩罚函数实现对模型的稳定化。这一改进使得SPG方法在模拟复杂材料变形时具有更高的计算效率和稳定性。

此外，本研究还强调了模型的适应性耦合技术在模拟根-土壤复合体中的应用。通过将根和土壤分别建模，并利用共节点技术实现两者之间的耦合，可以更真实地再现根系与土壤之间的相互作用。这种耦合方式不仅能够准确模拟根系在土壤中的分布和形态，还能够反映其在切割过程中的动态响应。因此，SPG-FEM耦合模型在描述根-土壤复合体的力学行为方面具有显著优势。

在试验过程中，研究团队通过直接剪切试验对根-土壤复合体的剪切特性进行了测量。试验结果表明，根-土壤复合体的剪切强度显著高于纯土壤，这与前人研究中关于根系对土壤加固作用的结论一致。通过将实测数据与模拟结果进行对比，研究团队进一步验证了SPG-FEM模型的有效性。试验还发现，根系与土壤之间的接触面积和分布均匀性是影响其加固能力的关键因素，这为优化播种设备的设计提供了重要的理论依据。

本研究的成果不仅在理论上对根-土壤复合体的力学行为进行了深入分析，还在实际应用中展示了其价值。通过建立一种能够准确模拟根-土壤复合体切割过程的模型，研究团队为农业机械的设计和改进提供了新的方法和工具。这种模型可以用于预测播种设备在不同土壤条件下的性能表现，从而指导设备的优化设计。此外，该模型还可以为其他作物根-土壤复合体的研究提供参考，推动农业工程领域在可持续耕作技术方面的进一步发展。

本研究的创新之处在于首次将SPG方法与FEM方法相结合，用于模拟玉米根-土壤复合体的切割过程。这一方法不仅克服了传统FEM方法在处理土壤颗粒行为方面的不足，还通过共节点技术解决了耦合过程中可能出现的非唯一解问题。通过这种方式，研究团队能够更准确地模拟根-土壤复合体的力学特性，为农业机械的优化设计提供可靠的理论支持。

此外，本研究还通过实测数据验证了模拟模型的准确性，确保其能够真实反映田间实际的物理行为。试验结果表明，模型预测的剪切力与实际测量结果高度一致，这表明该模型具有较高的可靠性。同时，研究还发现有效周长能够很好地预测根-土壤复合体的最大剪切强度深度，这一发现对于优化播种设备的切割参数具有重要指导意义。

总的来说，本研究通过建立一种结合FEM和SPG的耦合模型，对玉米根-土壤复合体的切割特性进行了系统分析，并通过试验验证了模型的准确性。这一研究成果不仅有助于提高保护性耕作系统的作业效率，还为农业机械的设计和改进提供了新的方法和技术支持。未来，随着数字模拟技术的不断发展，这种耦合模型有望在更多农业工程领域得到应用，为实现农业生产的可持续发展做出更大贡献。