不同含水率黏重黑土與觸土部件互作的離散元仿真參數標定

李俊偉，佟 金，胡 斌，王虎彪，毛春昱,5，馬云海※

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不同含水率黏重黑土與觸土部件互作的離散元仿真參數標定

李俊偉1,2,3,4，佟 金1,3，胡 斌2,4，王虎彪1,3，毛春昱1,3,5，馬云海1,3※

（1. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022；2. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003；3. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022； 4. 石河子大學農業部西北農業裝備重點實驗室，石河子 832003； 5. 吉林工程師范技術學院，長春 130022）

為了獲得可用于東北地區黏重黑土與觸土部件相互作用的離散元仿真模擬參數，該文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型對不同含水率的東北地區黏重黑土進行相關參數標定，針對含水率在10%～20%的實際作業環境，分別配置含水率為12.46%±1%和17.15%±1%的2種黏重黑土，以土壤顆粒間的滾動摩擦系數、恢復系數、表面能參數及靜摩擦系數為標定對象，并以土壤顆粒的仿真堆積角為響應值，基于Box-Behnken的響應面優化方法得到堆積角回歸模型，并對回歸模型進行尋優，得到2種含水率的模型參數優化解，并給出了模型參數范圍。測定了4種含水率下黏重黑土對3種觸土部件材料（65Mn、UHMW-PE和PTFE）的靜摩擦系數，并以此為基礎分別對65Mn（典型鐵基材料）和PTFE（典型低表面能材料）板進行斜面試驗，以含水率為17.15%±1%的黏重黑土為試驗對象，分別搭建斜面物理試驗平臺和仿真模型，以土壤顆粒與觸土部件材料之間的滾動摩擦系數、恢復系數、表面能參數及靜摩擦系數為標定對象，以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滾動距離為響應值，基于響應面優化法得到滾動距離回歸模型，以實測的滾動距離為目標對回歸模型進行尋優，得到黏重黑土對2類典型觸土部件材料接觸模型參數的優化解。研究結果表明，標定優化后的土壤模型能夠近似代替真實的東北地區黏重黑土進行仿真，可利用標定后的參數進行黏重黑土與觸土部件間的離散元仿真，可為東北黏重黑土作業條件下的農業機械觸土部件仿生減阻設計與優化提供基礎數據。

土壤；含水率；離散元法；黏重黑土；仿真參數標定

0 引 言

觸土部件與土壤接觸或在切割土壤過程中所涉及到的相互作用力學問題一直是該領域研究的難點與熱點。由于土壤的復雜性與多樣性，目前尚未有一種準確的數學模型能替代所有類型土壤的本構模型。對于現代觸土部件的設計及其優化，通常需要對觸土部件與土壤相互作用的過程進行仿真分析，而現有的有限元土壤模型由于其采用的是連續介質的表達形式而無法模擬土壤顆粒之間運動及其對耕作部件相互作用的動態過程[1-2]。離散元素建模（discrete element modeling）是一種用于對粒狀材料的力學行為進行建模的數值方法[3]，該方法將散粒體簡化成具有質量和形狀的顆粒集合，解決各個顆粒體之間及其與邊界間的相互作用，從而揭示顆粒與邊界之間的物理作用性質[4]。近幾年來，離散元法在工程中得到越來越廣泛的應用，越來越多的學者運用離散元法進行散粒物料的流動性、固體破碎及機具-土壤相互作用方面的研究。在農業工程領域，離散元法的應用主要集中在以散粒體為主的農業物料學，土壤與農機部件的相互作用等方面的研究[5-7]。通常在利用離散元法進行散粒體研究之前，需對散粒體的物料特性參數進行標定。除了模擬土壤顆粒之外，基于離散元法的接觸模型參數標定還被應用于比如小麥、水稻、馬鈴薯、大豆等其他散粒體[8-13]。

土壤與觸土部件之間相互作用的精準模型對設計與優化觸土部件具有重要作用[14-15]。然而，觸土部件在土壤中進行耕作作業時，土壤-機具之間的相互作用受土壤性質及土壤的動態作用直接影響[16-17]，對不同類型的土壤，其影響效應差異顯著，因此，在運用離散元法對觸土部件與土壤的相互作用進行仿真前，需先標定土壤顆粒與觸土部件之間的相關仿真參數。

目前，國內外學者主要針對EDEM 軟件中以Hertze-Mindlin等模型為主的內嵌模型對土壤顆粒接觸參數進行研究，Mustafa等[1,3,14-15]利用Hertze-Mindlin及Hysteretic Spring接觸模型，研究分析了土壤在有黏結力和無黏結力的情況下土壤顆粒的塑性形變等問題。丁啟朔等[18]利用Hertz-Mindlin with Bonding模型建立了黏性水稻土的深松耕作離散元模型。雖然Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型可以用來模擬粘結顆粒，但是該模型是用一個有限大小的“膠粘劑”粘結，適用于模擬混凝土和巖石等硬粒介質。張銳等[19]提出了一種標定沙土顆粒相互作用參數的方法，該方法使用標準球和非標準球對沙土顆粒的靜摩擦系數、恢復系數等關鍵參數進行標定，為沙土顆粒的離散元接觸模型參數標定提供了有價值的參考。王憲良等[4]基于代理模型的方法，利用The Edinburgh Elasto-Plastic Cohesion Model（ECM）彈塑性接觸模型表示土壤顆粒接觸模型，根據試驗測定堆積角及剪切試驗得到的參數建立離散元土壤模型，仿真分析模型參數的敏感性，最后以敏感性參數為變量，以試驗值為目標構建代理模型并進行參數優化，ECM模型是一種將土壤應變滯后性、內聚力及范德華力等考慮在內的非線性模型，適用于研究土壤、有機材料等的壓縮問題。石林榕等[20-21]整合延遲彈性模型（hysteretic spring contact model，HSCM）和線性內聚力模型（liner cohesion model，LCM）優勢，建立了西北旱區農田土壤模型，對土壤顆粒之間的靜摩擦系數、滾動摩擦系數和內聚強度等關鍵參數進行離散元標定。

上述EDEM軟件中的接觸模型大多適用于黏性弱含水率較低的土壤顆粒，如沙土、旱土或者巖石等，而對于東北地區的黏重黑土，其宏觀表現出的黏性及塑性特征遠大于土壤顆粒之間的彈性特征，土壤顆粒之間粘結力較大，上述接觸模型并不適用。

武濤等[22]基于土壤堆積角物理試驗結果，采用考慮顆粒間粘結力的“Hertz-Mindlin with JKR Cohesion”接觸模型進行土壤堆積角仿真試驗，對考慮粘結力的土壤顆粒之間的關鍵參數如JKR表面能參數、恢復系數、靜摩擦系數與滾動摩擦系數進行接觸模型的參數標定，試驗驗證了JKR模型可以用來模擬含水率較高的黏濕南方土壤。課題組在實際調研中發現，對于東北地區的黑黏土，土壤孔隙率低，黏粒多，腐殖質含量高，土壤性質復雜，含水率較高，在作物收獲期間的含水率一般在10%～20%之間，特別是下雨后的土壤，其含水率更高，當農機耕作部件進行作業時，觸土部件的土壤粘附現象嚴重，耕作阻力較大，嚴重影響生產效能。

本文前期研究發現，由于粘附能力很強，當含水率超過20%后，黏重黑土近于流變體性質，其黏性及塑性性質很突出，在實際試驗過程中發現，當含水率超過12%后，土壤顆粒之間就會發生較為嚴重的團聚現象，由此可見，對于黏重黑土，其顆粒之間的粘結力是必須要重點考慮的因素。因此，本文根據東北地區的黏重黑土特性，配置2種含水率的黏重黑土，在EDEM2.7軟件平臺上，基于顆粒間粘結力的“Hertz-Mindlin with JKR Cohesion”接觸模型，采用物理試驗與仿真試驗相結合的方法，分別對含水率為12.46%±1%和17.15%±1%的黏重黑土進行堆積角仿真試驗，基于Box-Behnken的響應面優化方法，對不同含水率黏重黑土顆粒之間的接觸模型仿真參數進行標定，對4種含水率的黏重黑土與3種觸土部件材料（典型鐵基類觸土部件材料65Mn及2種低表面能材料超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）和聚四氟乙烯（PTFE））的靜摩擦系數進行試驗測定，并在此基礎上利用斜面試驗方法，分別對較高含水率下（含水率17.15%±1%）的黏重黑土與2類典型觸土部件材料（65Mn鋼板和PTFE板）的接觸模型參數進行標定，以期為進一步研究東北地區黏重黑土或者含水率較高的黏濕土壤與觸土部件之間的相互作用提供離散元仿真所需的基礎參數，并為觸土部件減粘降阻仿生設計提供必要的仿真參數。

1 土壤顆粒間的接觸模型參數標定

1.1 接觸模型的選取

式中pullout為將2個顆粒分開所需的力，；為接觸角，（°）；為顆粒半徑，mm。

1.2 模型參數類型及標定

對于含水率較高的黏重黑土，顆粒之間的黏結力或者顆粒與觸土部件材料之間的粘結力是重要考慮對象，在EDEM JKR模型中用表面能來表征顆粒之間或顆粒與觸土部件材料之間的黏結力。

1.2.1 試驗材料及其本征參數

試驗用土壤樣品采自吉林農業大學試驗田，土壤類型為典型東北黏重黑土，土壤堆積密度為1.07 kg/m3，為了更準確地反映實際作業土壤狀況，考慮到雨后土壤含水率實測值與連續晴天下的土壤含水率差異，以2種含水率的黏重黑土為對象進行離散元土壤顆粒接觸模型的參數標定，因此本文采用配置的含水率為12.46%±1%和17.15%±1%的黏重黑土為對象進行堆積角物理試驗。土壤的本征參數通過圖1所示的SLB-1型應力應變控制式三軸試驗儀測得，結果如表1所示。

1.2.2 土壤堆積角物理試驗

圖1 土壤參數測試

圖2 土壤堆積角測試

1.2.3 土壤堆積角仿真試驗模型的建立

參考文獻[22]的方法，在EDEM 2.7軟件中建立堆積角仿真模型。漏斗頂部直徑為150 mm，底部直徑為30 mm，高為200 mm，接料底板為400 mm×400 mm的方形板。漏斗底部與接料底板的距離為400 mm。采用隨機分布方式生成土壤顆粒，顆粒半徑設置為2～4 mm，仿真參數設置詳見表1.

表1 土壤堆積角EDEM仿真參數

1.3 標定試驗設計

根據不同含水條件的黏重黑土顆粒之間的粘結性質，擬定顆粒之間的JKR表面能參數、恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數作為待標定的接觸模型參數，采用響應面優化方法，以堆積角為試驗指標，在Design-expert軟件平臺上，運用Box-Behnken方法進行試驗設計，參考EDEM 通用顆粒材料數據庫GEMM ( generic EDEM material model database，GEMM)中土壤顆粒的相關參數，結合仿真預試驗的結果及文獻[22]，堆積角仿真試驗因素的水平值設置如表2所示。

表2 土壤堆積角仿真試驗因素及水平

在EDEM2.7軟件平臺下，分別從錐面的方向和方向截取圖片，導入CAD軟件中標注土壤堆積角[20]，共測量4個堆積角，取平均值，仿真試驗結果如表3所示。

表3 土壤堆積角仿真試驗設計及結果

1.4 土壤堆積角仿真試驗結果與分析

1.4.1 堆積角回歸模型

按表2進行堆積角仿真試驗，并對試驗結果進行回歸方差分析，結果如表4所示，通過對試驗數據的多元回歸，得到東北黏重黑土的堆積角回歸模型為

回歸方程（2）的決定系數2= 0.997 7，校正決定系數Adj-2=0.983 8。

表4 土壤堆積角回歸模型的方差分析

1.4.2 不同含水率的黏重黑土堆積角參數優化與驗證

通過Design-expert軟件的優化模塊，以12.46%±1%含水率的黏重黑土形成的堆積角40.92°為目標對堆積角回歸模型進行尋優，得到多組優化解，通過堆積角仿真試驗驗證這些優化解，選取與物理試驗得到的土壤堆積角相近的1組優化解，即土壤顆粒之間的JKR表面能7.46 J/m2，恢復系數0.56，靜摩擦系數0.78，滾動摩擦系數0.22，此優化解下的堆積角仿真結果為 40.31°，與物理試驗結果的相對誤差為1.49%。圖3為堆積角仿真試驗與物理試驗堆形的對比。從圖3可以看出，對于優化參數的仿真試驗，土壤堆形與物理試驗得到的結果具有較高的相似性。在土壤顆粒堆積角標定的4個參數中，影響最顯著的是滾動摩擦系數，其次是恢復系數與表面能參數。對于含水率12.46%±1%的黏重黑土，仿真參數在一定范圍內取值均能獲得在物理試驗堆積角誤差范圍之內的結果，仿真結果與試驗結果的相對誤差在2.5%以內，即滾動摩擦系數在0.2～0.24之間，JKR表面能范圍在6～8 J/m2之間，恢復系數在0.45～0.6之間，靜摩擦系數在0.65～0.9之間。同理，對于含水率17.15%±1%的黏重黑土，以44.15°的堆積角為優化目標，最終得到土壤間JKR表面能參數為8.41 J/m2，土壤顆粒的恢復系數為0.5，靜摩擦系數系數為0.8，土壤間的滾動摩擦系數為0.23，利用該優化參數獲得的堆積角仿真試驗結果與物理試驗結果在角度和堆形上均具有較高的相似性。同理，得到含水率17.15%±1%黏重黑土的仿真參數范圍，即滾動摩擦系數在0.22～0.24之間，JKR表面能范圍在7～9 J/m2之間，恢復系數在0.45～0.6之間，靜摩擦系數在0.65～0.9之間。

圖3 不同含水率黏重土壤堆積角仿真與物理試驗的堆形對比 Fig.3 Stacked shape comparison between simulation and physical test of repose angle for clayey soil under different moisture content

2 土壤與不同觸土部件材料的接觸模型參數標定

2.1 材料與方法

為了給針對黏重黑土地區觸土部件的減阻性能優化及仿生設計提供準確可靠的仿真參數，在1.1節研究結果的基礎上，針對典型觸土部件材料65Mn和2種減粘材料（超高分子量聚乙烯UHMW-PE和聚四氟乙烯PTFE），采用靜摩擦試驗測定4種含水率的黏重黑土對典型觸土部件材料的靜摩擦系數，并基于靜摩擦試驗結果，采用斜面試驗標定高含水率（含水率為17.15%±1%）的黏重黑土對2種典型觸土部件材料（65Mn和PTFE）的離散元仿真參數。

2.1.1 土壤靜摩擦試驗

土壤對不同材料的靜摩擦系數是土壤與觸土部件材料之間的特有屬性，不會因為土壤的形狀而改變，但是土壤的含水率對其具有較大影響[29-30]。

為了減少仿真因素數，提高仿真優化水平與精度，土壤對不同材料的靜摩擦系數由如圖4所示的靜摩擦試驗臺測得。按前述方法配置含水率分別為0，12.46%，17.15%和23.5%的4種黏重黑土，制成1 cm×1 cm×1 cm的土塊，每次試驗前，保證土塊的含水率保持均衡，誤差控制在±1%。每種含水率的黏重黑土均重復測試20次，利用斜面儀測量每次土塊下滑瞬間的角度，通過式 （3）～（4）計算得到對應的靜摩擦系數，取平均值作為最終結果。

注：F1為拉力，N；F2為壓力，N；G為重力，N；f為摩擦力，N；N為支撐力，N；θ為底座與斜面夾角，(°)。B為底座長度，mm；H為斜面末端高度，mm。

2.1.2 斜面試驗

表5 斜面試驗臺參數

利用Desin-expert軟件中的Box-Behnken法進行斜面試驗仿真參數標定的試驗設計，參考EDEM通用顆粒材料數據庫GEMM ( generic EDEM material model database，GEMM)中鋼鐵及塑料的相關參數，根據仿真預試驗及物理試驗的結果及文獻[25]，擬定土壤顆粒與65Mn及PTFE板之間的斜面仿真試驗因素與水平，如表 6所示。

注：S為土球自然滾動距離，mm。

Fig 5 Slope test of soil and different contact materials

表6 斜面仿真試驗因素及水平

2.2 結果與分析

2.2.1 靜摩擦試驗結果與分析

圖6為靜摩擦系數試驗測試結果。通過靜摩擦試驗，測得含水率為0（干土）、12.46%±1%、17.15%±1%、23.5%±1%的黏重黑土與PTFE板之間的靜摩擦系數依次為0.447±0.075、0.332±0.034、0.522±0.11、0.633±0.16；與UHMW-PE板之間的靜摩擦系數依次為0.351±0.09、0.435±0.069、0.593±0.17、0.83±0.25；含水率為0（干土）、12.46%±1%、17.15%±1%的黏重黑土與65Mn板之間的靜摩擦系數依次為0.197±0.03、0.351±0.075、0.571±0.16。由圖6可知，對于觸土材料65Mn，隨著土壤含水率的增大，其靜摩擦系數亦增大且增大幅度明顯，而對于PTFE板與UHMW-PE板，隨著土壤含水率的增加，靜摩擦系數提高的趨勢較平緩，當含水率超過23.5%時，土壤仍然具有下滑趨勢，摩擦系數并無顯著增大。

圖7為含水率23.5%的黏重黑土粘附在豎直（90°）的65Mn鋼板上。如圖7所示，含水率為23.5%（小于液限值）時，試驗土壤已經完全粘附在65Mn板上，試驗臺升角＞90°后仍然不掉落，這說明在此含水率下的黏重黑土與65Mn板觸土面的粘附力大于其自身重力。而在低表面能的PTFE板和UHMW-PE板上含水率為23.5%的黏重黑土在一定升角范圍內自由滑動，說明低表面能觸土部件具有減粘效果，這為仿生減粘觸土部件的設計提供了思路。

圖6 不同含水率黏重黑土與不同觸土材料間的靜摩擦系數

圖7 含水率23.5%的黏重黑土粘附在豎直65Mn板上

2.2.2 斜面仿真試驗結果與分析

1）土壤與65Mn板的斜面仿真試驗結果與分析

含水率為17.15%±1%的土球在65Mn板上的斜面仿真試驗結果見表7，滾動距離回歸模型的方差分析見表8。

對表7中的試驗數據進行多元回歸，得到土壤顆粒在65Mn板上的滾動距離回歸模型，其回歸方程為

表7 含水率17.15%的土壤在65Mn板上的斜面仿真試驗結果

表8 土壤在65Mn板上滾動距離的回歸模型方差分析

2）土壤與PTFE板的斜面仿真試驗結果分析

土球在PTFE板上的斜面仿真試驗結果見表9，回歸模型的方差分析見表10。

表9 含水率17.15%的土壤在PTFE板上的斜面仿真試驗結果

對表9中的試驗數據進行多元回歸，得到土壤顆粒在PTFE板上的滾動距離回歸模型，其回歸方程為

表10 土壤在PTFE板上滾動距離的回歸模型方差分析

回歸方程（6）的決定系數2= 0.999 8，校正決定系數Adj-2=0.998 9。

對含水率為17.15%±1%的土球，測得其在PTFE板上的滾動距離為269.55±11.25 mm。利用Design-expert軟件中的優化模塊，以滾動距離269.55 mm為目標對回歸模型進行尋優，選取與土球滾動距離相近的1組優化解，逐一進行仿真驗證，結合前文靜摩擦試驗結果，選取黏重黑土與PTFE板的靜摩擦系數為0.52，仿真結果顯示當土壤與PTFE板之間的JKR表面能為4.08 J/m2、恢復系數為0.6、靜摩擦系數為0.52、滾動摩擦系數為0.045時，滾動距離仿真結果為269.35 mm，與物理試驗得到的平均滾動距離269.55 mm接近，相對誤差為0.07%。

3 結 論

1）針對東北地區高含水率的黏重黑土，基于離散元方法，采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型分別對含水率為12.46%±1%與含水率17.15%±1%的2種土壤進行離散元仿真，通過堆積角仿真試驗標定2種含水率下的黏重黑土顆粒之間的接觸模型仿真參數，與物理試驗進行對比，得到堆積角回歸方程，利用響應面優化方法得到2種含水率的黏重黑土接觸模型的參數分別為：含水率12.46%±1%下土壤顆粒之間滾動摩擦系數為0.22，JKR表面能為7.46 J/m2，恢復系數為0.56，靜摩擦系數0.78；含水率17.15%±1%的土壤顆粒JKR表面能為8.41 J/m2，恢復系數為0.5，靜摩擦系數系數為0.8，土壤之間的滾動摩擦系數0.23。由此可得，對于含水率在10%～20%的黏重黑土，在進行相關離散元仿真試驗時，各對應參數值可取上下限之間的值。

3）通過斜面物理試驗與仿真試驗相結合的方法，得到含水率為17.15%±1%的黏重黑土對2類觸土部件材料的離散元仿真參數，即黏重黑土與PTFE板之間的JKR表面能為4.08 J/m2，恢復系數為0.6，靜摩擦系數為0.52，滾動摩擦系數為0.045；與65Mn板之間的JKR表面能為5.5 J/m2，恢復系數為0.61，靜摩擦系數為0.57，滾動摩擦系數為0.056。

4）通過2種含水率的黏重黑土堆積角的回歸模型方差分析以及土壤對2種觸土部件材料65Mn、PTFE的斜面試驗的回歸模型方差分析，得到東北地區黏重黑土顆粒之間（或顆粒與觸土部件材料之間）的滾動摩擦系數以及顆粒之間（或顆粒對觸土部件材料）的表面能參數對接觸模型影響均極顯著，這與物理試驗現象相吻合。

本文研究結果對東北黏重黑土地區農業生產具有一定指導意義，含水率越高，黏重黑土的粘附性越強，對觸土部件的粘附亦越嚴重，因此，對于黏重黑土地區土壤進行耕作，可以選擇減粘材料的觸土部件或者設計仿生減粘觸土部件，有利于減少土壤粘附；對于塊莖類作物的機械收獲作業，可以盡量讓土壤晾曬一些時日，以降低土壤含水率，減少土壤與觸土部件的粘附，且盡量避免雨后作業。

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Calibration of parameters of interaction between clayey black soil with different moisture content and soil-engaging component in northeast China

Li Junwei1,2,3,4, Tong Jin1,3, Hu Bin2,4, Wang Hubiao1,3, Mao Chunyu1,3,5, Ma Yunhai1,3※

(1.,,,130022,; 2.,,832003,3.,,130022,4.,,832003,5.,130022,;)

In order to obtain the interaction parameters which can be used for discrete element simulation between the soil-engaging components and clayey black soil in northeast China, the Hertz-Mindlin with JKR Cohesion contact model in EDEM2.7 was used to simulate the clayey black soil. Aiming at the actual working environment with moisture content of 10%-20%, 2 kinds of clayey black soil with moisture content of 12.46%±1% and 17.15%±1% were prepared respectively. The rolling friction coefficient, recovery coefficient, JKR surface energy parameter and the static friction coefficient between the soil particles were used as the model calibrated parameters. The soil repose angle simulated under the simulation parameters was set as the response value. The regression model of the soil repose angle was established based on the Box-Behnken response surface method, and the regression model was optimized by using the soil repose angles under 2 moisture contents obtained by physical experiments. The optimal solution of the contact model parameters of the clayey black soil particles with 2 moisture contents was obtained. The parameter range of the discrete element contact model of clayey black soil with moisture content between 10%-20% were given. The soil repose angle and stacked shape obtained by the simulation experiment with the optimized solution had a high similarity with that of the physical test. At the same time, the static friction coefficients of 3 kinds of soil contact materials such as 65Mn plate, UHMW-PE plate and PTFE plate were tested under the conditions of 4 kinds of moisture content, which were 0, 12.46%, 17.15% and 23.5% respectively. Then for the 2 typical soil contact materials such as 65Mn and PTFE, the slope physical test bench were constructed for the clayey black soil with moisture content of 17.15%±1%. The slope simulation models of 65Mn and PTFE materials were established under the EDEM2.7 software platform. Based on the critical simulation parameters such as JKR surface energy parameter, static friction coefficient, rolling friction coefficient and recovery coefficient between soil particle and soil contact material, the simulated rolling distance of the soil ball on different soil contact materials was set as the response value. The excellent fit regression model of rolling distance for the 2 kinds of typical soil contact materials were established based on the response surface optimization method of Box-Behnkende. The 2 regression models were optimized by the sliding distance obtained by the physical experiment. Then the optimized solution of the contact model parameters of different materials was obtained. The simulation results showed that when the surface energy of JKR between soil and 65Mn was 5.5 J/m2, the recovery coefficient was 0.61, the static friction coefficient was 0.57 and the rolling friction coefficient was 0.056, the rolling distance simulation result was 153.56 mm, which was close to the average rolling distance obtained from physical experiments of 155.93 mm, and the relative error was 1.52%; When the surface energy of JKR between soil and PTFE was 4.08 J/m2, the recovery coefficient was 0.6, the static friction coefficient was 0.52 and the rolling friction coefficient was 0.045, the simulation result of rolling distance was 269.35 mm, which was close to the average rolling distance of 269.55 mm obtained from physical experiment, and the relative error was 0.07%. And the optimized parameters can be used to simulate the discrete parameters between the clayey black soil and the soil-engaging components. The study provides credible basic data for the design and simulation of agricultural machinery under clayey black soil conditions.

soils; water content; discrete element method; clayey black soil; calibration of simulation parameter

2018-10-11

2019-03-03

國家重點研發計劃項目（YS2016YFNC050065）課題（2016YFD0701601）；國家自然科學基金項目（51805338，51875242，51865051）；吉林省科技廳項目（20170101173JC，20190302129GX）

李俊偉，講師，博士生，主要從事農業機械減阻耐磨仿生技術研究。Email：ljwjdxy@shzu.edu.cn

馬云海，教授，博士生導師，主要從事農業工程仿生技術研究。Email：myh@jlu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.016

S347.7；S22

A

1002-6819(2019)-06-0130-11

李俊偉，佟 金，胡 斌，王虎彪，毛春昱，馬云海. 不同含水率黏重黑土與觸土部件互作的離散元仿真參數標定[J]. 農業工程學報，2019，35(6)：130－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.016 http://www.tcsae.org

Li Junwei, Tong Jin, Hu Bin, Wang Hubiao, Mao Chunyu, Ma Yunhai. Calibration of parameters of interaction between clayey black soil with different moisture content and soil-engaging component in northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 130－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.016 http://www.tcsae.org