海南熱區磚紅壤顆粒離散元仿真模型參數標定

邢潔潔，張 銳，吳 鵬，張喜瑞，董學虎，陳 瑛，汝紹鋒

海南熱區磚紅壤顆粒離散元仿真模型參數標定

邢潔潔1，張 銳1，吳 鵬1，張喜瑞1※，董學虎2，陳 瑛3，汝紹鋒1

（1. 海南大學機電工程學院，海口 570228；2. 中國熱帶農業科學院農業機械研究所，湛江 524091；3.加拿大曼尼托巴大學，溫尼伯 R3T 2N2）

為獲取適用于海南熱區磚紅壤與觸土部件相互作用的離散元仿真模型參數，該文利用EDEM仿真軟件中Hertz-Mindlin with JKR接觸模型對海南地區磚紅壤進行相關模型參數標定，首先以含水率為7.8%、實際休止角為32.35°的磚紅壤為研究對象，以物理試驗獲取的磚紅壤-磚紅壤、磚紅壤-觸土部件間恢復系數、靜摩擦系數及滾動摩擦系數為標定對象，應用Plackett-Burman 設計試驗篩選出對休止角有顯著影響的參數：即磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數、JKR表面能、磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數、磚紅壤-磚紅壤恢復系數。進一步以磚紅壤顆粒休止角為響應值，基于Box-Behnken設計試驗得到休止角與顯著性參數的二階回歸模型，并以實際休止角為目標，針對顯著性參數進行尋優，得到最佳組合：磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數為0.07、磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數為0.24、磚紅壤-磚紅壤恢復系數為0.4、JKR表面能為4.31 J/m2。最后在標定的參數下進行休止角與破土阻力離散元仿真驗證試驗，對比計算得出仿真休止角與實測休止角相對誤差為0.62%，仿真破土阻力與實測破土阻力相對誤差為3.43%，并通過對比分析兩次試驗中破土阻力變化曲線的擬合情況，得出兩曲線間的可決系數2=0.993 9，均方根誤差RMSE=0.017 7，該結果表明標定所得相關參數可用作海南熱區磚紅壤離散元仿真。

磚紅壤；離散元模型；休止角；參數標定；破土阻力

0 引 言

磚紅壤是中國最南端熱帶雨林或季雨林地區的地帶性土壤，相較于普通土壤有更強的膨脹性、流塑性及持水性，具有質地黏重、土層深厚、比阻大等特點。對磚紅壤地進行耕作作業時，會出現阻力大、效率低、觸土部件土壤粘附嚴重等問題[1-2]，嚴重影響生產效率。基于磚紅壤自身結構的復雜性，研發適用于海南熱區磚紅壤地的高性能耕作裝備十分必要。在設計、優化關鍵觸土部件時，往往需要解析磚紅壤-觸土部件的相互作用耦合機制，而實際土槽試驗或田間試驗僅能了解土壤宏觀運動情況，無法對土壤微觀運動規律進行探究。目前國內外已有專家學者利用有限元法探究耕作過程中土壤動態擾動行為[3-4]，然而有限元法是基于連續介質的表達形式模擬土壤整體破壞行為，無法模擬土壤顆粒運動過程[5-6]。近幾年來，隨著農業機械化水平的不斷提高，由Cundall等[7]提出的用以解決不連續介質問題的離散元法逐漸被應用在農業工程領域，該方法可用于模擬顆粒間微觀和宏觀變形，在土壤-土壤、土壤-觸土部件間的接觸力學模型分析方面具有廣泛應用前景[8-12]。

農機具觸土部件在田間進行耕作作業時，由于土壤類型的不同，土壤-觸土部件間的相互作用也會存在差異[13]。因此，對不同的土壤進行離散元建模時，需要根據土壤的具體情況，選擇合適的土壤接觸模型并對相關模型參數進行準確性標定[14]，以確保離散元仿真試驗的真實性。Santos[15]通過旋轉滾筒法獲取了櫻桃果干顆粒的休止角，并標定出顆粒間的接觸參數；Mustafa等[16]研究了土壤分別在有粘結力和無粘結力情況下顆粒塑性變形問題；王憲良等[17]驗證了彈塑性接觸模型（Edinburgh elasto-plastic cohesion model，ECM）符合土壤本構關系，并對土壤顆粒間的靜摩擦系數和滾動摩擦系數進行了標定；石林榕等[18]建立了西北旱區農田土壤顆粒接觸模型并對關鍵參數進行離散元標定；張銳等[19]提出一種標定沙土顆粒仿真參數的方法，試驗得出顆粒形狀對顆粒間靜摩擦系數影響較大；丁啟朔等[20]建立了濕粘水稻土的深松耕作離散元模型并對相關仿真參數進行標定。

目前，關于土壤建模參數標定的研究主要是針對黏性較弱如沙土、旱土或巖石等土壤類型，對于黏性較大的磚紅壤土并不適用。本文針對磚紅壤離散元模型參數不清的問題，以海南熱區磚紅壤樣品為研究對象，選取EDEM軟件中“Hertz-Mindlin with JKR”（JKR）接觸模型，通過土壤休止角與破土阻力仿真對比試驗，完成對磚紅壤土離散元模型參數的標定，以期為后續探究磚紅壤-觸土部件耦合機理提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 接觸模型的選取

磚紅壤質地厚重且存在粘附現象，經典的Hertz-Mindlin接觸模型僅考慮彈性變形，不考慮顆粒模型間的粘結力，難以準確模擬觸土部件在磚紅壤中的作業規律；Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型雖然可用來模擬粘結顆粒，但該模型是利用有限大小的“膠粘劑”粘結，適用于模擬混凝土和巖石等較堅硬介質[21]；而Hertz-Mindlin with JKR接觸模型是一種建立在Hertz理論上的粘結性顆粒接觸模型，同時考慮到濕顆粒間粘結力對顆粒運動的影響，適用于模擬顆粒間因靜電、水分等原因發生明顯粘結和團聚的物料，如農作物和泥土等[22-23]。“Hertz-Mindlin with JKR”接觸模型中的法向彈性力可較好的表征顆粒間的粘彈性特征。

Hertz-Mindlin with JKR接觸模型的法向彈性力基于法向重疊量和表面能，即

式中JKR為JKR法向彈性力，N；為兩接觸顆粒之間法向重疊量，m；為兩接觸顆粒之間切向重疊量，m；為表面能，N/m；*為等效彈性模量，Pa；*為等效接觸半徑，m。等效彈性模量*與等效接觸半徑*定義為

式中1、2分別為兩接觸顆粒的彈性模量，Pa；1、2分別為兩接觸顆粒的泊松比；1、2分別為兩接觸顆粒的接觸半徑，m。

當表面能=0時，JKR法向彈性力變為Hertz-Mindlin法向力：

即使顆粒并不是直接接觸，Hertz-Mindlin with JKR接觸模型也提供吸引凝聚力[23]，顆粒間具有非零凝聚力的最大間隙為

式中c為顆粒間具有非零凝聚力時的法向最大間隙，m；c為顆粒間具有非零凝聚力時的切向最大間隙，m。

當＞c時，顆粒間凝聚力變為0；當顆粒并非實際接觸且間隔小于c時，凝聚力達到最大值：

式中cohesion為2個顆粒間凝聚力，N；*為等效接觸半徑，m。

海南熱區雨水較多，Hertz-Mindlin with JKR接觸模型也可模擬濕潤磚紅壤顆粒，此時將2個顆粒分開所需要的分離力取決于液體表面張力和濕潤角：

式中pullout為將2個顆粒分開所需的分離力，N；s為液體表面張力，N；為濕潤角，(°)；i、j為顆粒半徑，m。

1.2 模型參數的類型及標定

模型參數包括材料本征參數、接觸參數和接觸模型參數，其中材料本征參數與接觸模型參數較為固定，可通過查閱資料得到。故本文主要針對磚紅壤模型接觸參數進行試驗標定。

1.2.1 試驗材料及本征參數

本次試驗土壤樣品采自海南大學儋州市香蕉地試驗田，地處19°11′～19°52′N，108°56′～109°45′E，測得采集土樣的含水率為7.8%，由于土樣不均勻，對土樣進行風干、碾碎、過篩處理后，根據土樣的pH值，加入適量氫氧化鈉溶液制成懸浮液并定容，根據文獻[24]所述方法計算各級顆粒的質量，并計算其百分含量。測定出磚紅壤顆粒組成情況如表1所示。

表1 磚紅壤顆粒組成

磚紅壤顆粒材料本征參數為[25]：泊松比0.38；剪切模量1×106Pa；密度1 850 kg/m3；接觸模型參數主要為JKR表面能，將仿真顆粒堆積密度和仿真規模導入EDEM通用顆粒材料數據庫（Generic EDEM material model database, GEMM）中，得JKR表面能為3.8～10.2 J/m2。

1.2.2 磚紅壤休止角物理試驗

顆粒狀物質被傾倒于水平面時會形成錐體，錐體表面與水平面所成內角即為休止角，是表征顆粒物料流動、摩擦等特性的宏觀參數，與顆粒密度、顆粒表面積及顆粒摩擦系數有關，因此，休止角物理試驗常被用作顆粒物料離散元參數標定[26-27]。試驗樣品土壤堆積密度為2.51 kg/m3，土壤含水率7.8%，采用文獻[28]所述方法進行土壤休止角試驗，試驗結果如圖1所示，重復10次測定取磚紅壤實際休止角平均值為32.35°。

1.接料板 2.磚紅壤顆粒

1.2.3 恢復系數測定試驗

在耕作作業過程中，土壤-土壤、土壤-觸土部件間會存在各種碰撞和擠壓，從而造成觸土部件不同程度的損壞。恢復系數是體現碰撞特性的力學參數，定義為碰撞后法向反彈速度與碰撞前法向靠近速度的比值[29]。恢復系數通常采用自由落體試驗或平板碰撞試驗測定，由于土壤顆粒大小不均勻，采用自由落體試驗時，被測顆粒常發生旋轉或多點碰撞，碰撞后很難產生垂直方向上的彈回，測定結果會產生較大誤差。本試驗中，基于運動學原理，采用圖2所示斜板碰撞試驗裝置測定恢復系數。

注：h為土壤顆粒下落點距28MnB5板的高度，m；S1、S2和H1、H2分別為土壤顆粒兩次碰撞28MnB5板后在水平面內、豎直平面內的位移，m；28MnB5板傾角為45°；X、Y為坐標軸；Vx、Vy分別為顆粒碰撞28MnB5板后沿X方向和Y方向的速度，m/s。

磚紅壤顆粒下落至28MnB5板處與板發生碰撞做斜拋運動，可分解為沿方向的勻速運動（速度V）和沿方向初速度為V，加速度為的勻變速運動，最終落在接料底板上，即：

式中S、H（=1, 2）分別為土壤顆粒碰撞28MnB5板后在水平面內、豎直平面內的位移，m。

改變接料底板的高度1，2，分別測得兩次磚紅壤顆粒碰撞后在接料底板上的水平位移量1，2，可得：

式中1、2和1、2分別為兩次土壤顆粒碰撞28MnB5板后在水平面內、豎直平面內的位移。

由恢復系數定義可求得恢復系數r得：

式中V為碰撞后法向反彈速度，m/s；′為碰撞前法向靠近速度，m/s；0為碰撞前顆粒速度，m/s。

磚紅壤-觸土部件間恢復系數通過磚紅壤顆粒撞擊28MnB5板測定；磚紅壤-磚紅壤間恢復系數可采用粘接劑將磚紅壤土顆粒均勻粘附在斜板表面，使其形成顆粒板，通過磚紅壤顆粒撞擊顆粒板測定。通過多次反復試驗測定，最終得到：磚紅壤顆粒間恢復系數范圍為0.1～0.7，磚紅壤顆粒與28MnB5材料板間恢復系數范圍為0.05～0.7。

1.2.4 靜摩擦系數測定試驗

在土壤實際耕作過程中，土壤-土壤、土壤-觸土部件之間大部分為多點接觸，產生的摩擦大多為靜摩擦；在離散元仿真試驗中，兩顆粒間受到的切向合力通常是通過靜摩擦力來限制的，因此在采用離散元模擬土壤與觸土部件相互作用過程時，靜摩擦系數對模擬結果影響較大。

設計如圖3所示的斜板試驗，通過改變斜板高度H，當磚紅壤顆粒開始滑落時測定斜板傾角，進而求得靜摩擦系數，反復試驗測定20次，取平均值。磚紅壤顆粒剛開始滑落時在斜板上的平衡方程為

注：1為拉力，N；2為壓力，N；為重力，N；為摩擦力，N；為支持力，N；為靜摩擦系數；為斜板傾角，(°)；為底座長度，mm；H為斜面高度，mm。

Note:1is tension, N;2is pressure, N;is gravity, N;is friction, N;is support force, N;is angle between base and slope, (°);is the base length, mm;His the height of the slope, mm.

圖3 靜摩擦系數測定試驗原理圖

Fig.3 Principle diagram of static friction coefficient test

磚紅壤顆粒在斜板上的靜摩擦系數為

式中1為拉力，N；2為壓力，N；為重力，N；為摩擦力，N；為支持力，N；為靜摩擦系數；為斜板傾角，(°)。

其中，磚紅壤-觸土部件間靜摩擦系數通過磚紅壤顆粒在28MnB5板滑動試驗測定；磚紅壤-磚紅壤間靜摩擦系數可通過磚紅壤顆粒與上述顆粒板滑動試驗測定。反復多次試驗取平均值，最終得到磚紅壤-磚紅壤間靜摩擦系數為0.4～1.1，磚紅壤-觸土部件間靜摩擦系數為0.3～0.9。

1.2.5 滾動摩擦系數測定試驗

設計如圖4所示試驗裝置測量滾動摩擦系數，質量為的磚紅壤顆粒在半徑為的導軌角處自由滾落，測定滾落高度、水平拋出高度及水平拋出距離，由微元法可知，當顆粒轉動一個較小的角度時，對導軌的正壓力近似不變，即：

式中為磚紅壤顆粒在整個運動過程中的摩擦力，N；為滾動摩擦系數；為導軌傾角，(°)；為磚紅壤顆粒質量，kg；為重力加速度，N/kg；為磚紅壤顆粒轉動的較小的一個角度，(°)。

注：為導軌傾角，(°)；為導軌半徑，m；h為磚紅壤顆粒拋出點距地面高度，m；為水平拋出距離，m；為磚紅壤顆粒滾落高度，m。

Note:is angle between base and guide rail, (°);is guide radius, m;his height of latosol particles throwing point from the ground, m;is horizontal throw distance, m;is the rolling height of latosol particles, m.

圖4 滾動摩擦系數測定試驗原理圖

Fig.4 Principle diagram of rolling friction coefficient test

在此過程中，滑動摩擦力所做的功1為

式中為導軌半徑，m。

磚紅壤顆粒在距地面h處水平拋出的動能2為

式中為磚紅壤顆粒從導軌拋出時速度，m/s。

重力所做的功為

=（19）

式中為磚紅壤顆粒滾落高度，m；h為磚紅壤顆粒拋出點距地面高度，m。

由磚紅壤顆粒運動過程中的能量守恒，即12可求出滾動摩擦系數，若要測量磚紅壤顆粒間滾動摩擦系數，仍可采用上述粘接劑形成顆粒板，再將磚紅壤顆粒放置于顆粒板上自由滾落，多次重復試驗測定求平均值得：磚紅壤-磚紅壤間滾動摩擦系數為0.05～0.25，磚紅壤-觸土部件間滾動摩擦系數為0.05～0.25。

1.3 參數標定試驗設計

綜上試驗結果：磚紅壤顆粒之間的恢復系數范圍為0.1～0.7，靜摩擦系數范圍為0.4～1.1，滾動摩擦系數范圍為0.05～0.25；磚紅壤土顆粒與觸土部件之間的恢復系數范圍為0.05～0.7，靜摩擦系數范圍為0.3～0.9，滾動摩擦系數范圍為0.05～0.25；JKR表面能取值范圍為3.8～10.2 J/m2。應用Plackett-Burman和Box-Behnken設計試驗進行參數標定，其中試驗因素選定為恢復系數、靜摩擦系數、滾動摩擦系數和JKR表面能，試驗指標為休止角，確定各因素水平表如表2所示，共7個因素，各取一個高水平、一個低水平。

表2 仿真試驗因素及水平

注：L為磚紅壤；M為28MnB5板。

Note: L is latosol; M is steel plate.

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗設計確定關鍵影響因素

Plackett-Burman是一種兩水平的試驗設計方法，通過比較各個因子兩水平的差異與整體的差異來確定因子的顯著性。延用表2設置各因素水平，共進行12次試驗，試驗方案及結果如表3所示，其中設置4個空白列用于誤差分析。

表3 Plackett-Burman Design 方案及結果

注：、、、為空白列。

Note:,,andindicate blank column.

對試驗結果進行分析，得到7個因素對休止角貢獻度如表4所示。由表4可知，7個因素對休止角均為正效應，即休止角隨著該7個因素增大而增大，其中對休止角影響較為顯著的4個因素依次為：（磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數）、（表面能）、（磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數）和（磚紅壤-磚紅壤恢復系數），合計貢獻度為95.68%。

表4 Plackett-Burman Design試驗結果分析

2.2 Box-Behnken試驗設計

2.2.1 試驗方案與結果

得到休止角顯著影響因素后，應用Box-Behnken設計試驗進行響應面分析并尋找最優解，以（磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數）、（表面能）、（磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數）和（磚紅壤-磚紅壤恢復系數）為試驗因素，休止角為試驗指標，延用表2各因素試驗水平，共進行29次試驗，試驗方案及結果如表5所示。

表5 Box-Behnken Design 方案及結果

2.2.2 休止角回歸模型分析

應用Design-expert軟件對試驗結果進行多元回歸擬合分析，可得休止角回歸模型：

該回歸方程的決定系數2=0.991 1，表明有99.11%試驗差異可用該模型解釋，與實際數據的擬合程度高；校正決定系數adj-2=0.982 2與2非常接近1，表明相關性較好；變異系數CV=0.60%，綜上表明該模型具有較好的可靠性，可以用于進一步分析。對該模型試驗結果進行回歸方差分析，結果如表6所示。由表6可以看出，模型<0.000 1，說明該休止角回歸模型極顯著；在給定的試驗因素水平范圍內，（磚紅壤-磚紅壤恢復系數）、（磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數）、（磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數）、（JKR）對休止角影響極顯著；、、對休止角影響極顯著，、對休止角影響較為顯著，對休止角影響不顯著；2、2、2對休止角影響極顯著，2對休止角影響較為顯著。

表6 Box-Behnken Design 二次回歸模型方差分析

2.2.3 參數優化與試驗驗證

在設置的試驗因素水平范圍內，基于Design-expert軟件的優化模塊，以實際測得休止角32.35°為目標對休止角回歸模型進行尋優，對得到的若干組解進行休止角仿真驗證，得到與物理試驗形狀相近的一組最優解，即（磚紅壤-磚紅壤恢復系數）為0.4，（磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數）為0.07，（磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數）為0.24，（JKR表面能）為4.31J/m2；在EDEM軟件中將、、、設置為上述最優解，其余參數選取中間水平，即（磚紅壤-磚紅壤靜摩擦系數）0.75、（磚紅壤-28MnB5板恢復系數）0.38、（磚紅壤-28MnB5板靜摩擦系數）0.6，該優化解下得到的休止角仿真結果與實際物理試驗結果對比如圖5所示。

圖5 仿真試驗與物理試驗對比

在休止角測量試驗中，散料堆會出現“凹形表面”和“凸形表面”等現象[30]，堆積邊界參差不齊，使得直接測量或采用EDEM軟件后處理量角器方法測量結果不夠準確。為更精確測得休止角，本次試驗借助Python的matplotlib模塊、pillow模塊及scikit learn的Linear regression模塊對試驗圖像進行處理并求解，處理過程如下：

1）讀取磚紅壤土堆單側圖像并進行圖像的灰度及二值化處理（圖6a）；在處理完的圖片上選取坡度邊界，對獲取到的數據進行最小二乘線性擬合，進而確定擬合方程斜率（圖6b）；

2）按式（21）計算休止角：

式中ζ為磚紅壤土堆測量休止角，(°)；k為斜率。

由圖7可知，磚紅壤休止角單側輪廓采用最小二乘法擬合出的線性方程為=0.62+0.95，斜率=0.62，帶入式（21）中得休止角為31.79°，重復5次試驗，得到磚紅壤休止角計算值分別為：31.79°、32.93°、31.96°、32.48°和32.53°，平均值為32.33°，與磚紅壤休止角實際測量值32.35°相對誤差為0.62%。

2.3 破土阻力對比試驗

為進一步核實標定的模型參數的準確性與合理性，設計破土阻力對比驗證試驗：在EDEM軟件中設置上述標定最優參數，并生成磚紅壤顆粒；通過EDEM軟件仿真模擬破土刃在磚紅壤中破土過程，并進行實際試驗，對比破土阻力變化的擬合情況。

2.3.1 EDEM仿真試驗

在SolidWorks軟件中建立大小為350 mm×200 mm× 150 mm的土槽與破土刃三維模型并導入EDEM軟件中，待完全生成土壤顆粒后，讓破土刃以1 m/s2的加速度從靜止加速至1 m/s，之后繼續勻速前進直至完全穿過磚紅壤土層，耕作深度為80 mm，仿真過程如圖7所示。待仿真結束后通過后處理模塊導出運動過程中阻力變化數據。

圖7 破土過程仿真試驗圖

2.3.2 土槽試驗

搭建如圖8所示試驗裝置，取相同大小土槽置于試驗臺上，土槽內磚紅壤取自儋州市香蕉試驗田，土槽上方安裝直線導軌。調整試驗臺高度，使得測力儀與直線導軌位于同一水平線上，由伸縮電機帶動測力儀和破土刃運動，控制破土刃沿直線導軌以1 m/s2的加速度從靜止加速至1 m/s，并勻速前進穿過磚紅壤土層，與仿真試驗中的運動一致，記錄運動過程中測力計讀數。

1.土槽 2.直線導軌 3.破土刃 4.測力儀 5.磚紅壤

2.3.3 阻力對比分析

繪制仿真運動過程與實際試驗過程阻力變化曲線，如圖9所示，對比分析兩條曲線可知，在破土刃剛開始破土時所受阻力較大，隨著破土刃逐漸松開土壤，所受阻力逐漸趨于穩定，對比可得兩阻力曲線形狀趨于一致；仿真試驗所得穩定破土阻力3.31 N，與實際測量所得穩定破土阻力3.2 N相對誤差為3.43%，相對誤差較小；使用scikit learn中的metrics模塊分別計算模型的決定系數2與均方根誤差RMSE，得出兩曲線間的2=0.993 9，趨于1，說明兩曲線擬合狀況越好；RMSE=0.017 7，趨于0，說明兩曲線的離散程度越小。綜上，表明本文所標定磚紅壤土顆粒仿真模型參數準確可靠。

圖9 仿真與試驗過程破土阻力對比分析

3 結 論

1）針對海南熱區特有的磚紅壤土，基于EDEM離散元仿真軟件，選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型對含水率為7.8%的磚紅壤樣品進行離散元仿真，通過試驗測定磚紅壤-磚紅壤、磚紅壤-觸土部件間恢復系數依次為0.1～0.7、0.05～0.7；磚紅壤-磚紅壤、磚紅壤-觸土部件間靜摩擦系數依次為0.4～1.1、0.3～0.9；磚紅壤-磚紅壤、磚紅壤-觸土部件間滾動摩擦系數均為0.05～0.25。

2）應用Plackett-Burman Design試驗設計確定磚紅壤休止角關鍵影響因素包括：磚紅壤-磚紅壤恢復系數、磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數、磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數及JKR表面能。

3）應用Box-Behnken試驗設計確定4個顯著影響因素最優值：磚紅壤-磚紅壤恢復系數0.40、磚紅壤-磚紅壤滾動摩擦系數0.07、磚紅壤-28MnB5板滾動摩擦系數0.24、JKR表面能4.31J/m2。以最優參數組合得到的仿真試驗休止角與實際測量休止角相對誤差為0.62%。

4）在EDEM軟件中仿真模擬破土刃在磚紅壤中破土過程，并進行實際對比驗證試驗。兩次穩定破土阻力相對誤差為3.43%，表明標定磚紅壤離散元仿真模型參數準確可靠。

本文研究結果對海南熱區磚紅壤地作業具有一定指導意義；但需指出的是，本文雖做了實際試驗，結果較為理想，但基于磚紅壤土的特殊性和香蕉根系的復雜性，后期將開展更為深入的研究，本文為后期的實際土壤建模提供了基本參數支撐，可為進一步研制適用于磚紅壤香蕉地作業條件下的觸土部件提供基礎數據。

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Parameter calibration of discrete element simulation model for latosol particles in hot areas of Hainan Province

Xing Jiejie1, Zhang Rui1, Wu Peng1, Zhang Xirui1※, Dong Xuehu2, Chen Ying3, Ru Shaofeng1

(1.570228; 2.,,, 524091,; 3.,,322,)

Latosol is the zonal soil of tropical rainforest or seasonal rainforest in the southernmost part of China. Compared with ordinary soil, latosol has stronger expansibility, flow plasticity and water holding capacity. In the cultivation of latosol, there are many problems, such as high resistance, low efficiency, and serious soil adhesion of parts touching the soil. In recent years, with the continuous improvement of agricultural mechanization level, discrete element method is gradually applied in the field of agricultural engineering. But the existing research is mainly aimed at the soil with weak viscosity, such as sandy soil, dry soil or rock soil. These research results are not suitable for the latosol, and there are few researches on the parameter calibration of the discrete element simulation model of latosol. In this paper, the simulation contrast test of soil repose angle and soil breaking resistance, and calibrate the contact parameters of the discrete element model of latosol had been carried out with "Hertz-Mindlin with JKR" contact model in the EDEM software. The actual repose angle of latosol with moisture content of 7.8% was measured to be 32.35 °. The recovery coefficient, static friction coefficient and rolling friction coefficient between latosol, latosol and contact parts were measured by design test. Seven coefficients were selected as test factors by Design-expert software and factor level was set. The repose angle was taken as test index and design parameter calibration test was carried out. Using Plackett-Burman Design test to determine the key factors affecting the repose angle of latosol includerecovery coefficient of latosol-latosol, rolling friction coefficient of latosol-latosol, rolling friction coefficient of latosol-28MnB5 plate and surface energy. Using regressive analysis by Box-Behnken to fit the test results, and the repose angle regression model was obtained. The regression variance analysis of the model showed that the regression model was very significant, and the repose angle could be predicted according to the model.Taking the actual repose angle of latosol as the objective value, the regression model was optimized, and the optimal values of four significant factors were obtained: latosol-latosol recovery coefficient 0.40, latosol-latosol rolling friction coefficient 0.07, latosol-28MnB5 plate rolling friction coefficient 0.24, JKR surface energy 4.31 J/m2. The simulation experiment of the repose angle of EDEM was designed, and the image of the simulated repose angle was processed by python. The relative error between the simulated repose angle and the measured repose angle was 0.62%.The soil tank model was established to simulate the movement process of the breaking blade in the latosol, and the test was carried out to compare the fitting situation of the change of the breaking resistance. Comparion of soil breaking fitting resistance curve in numeral simulation and test, showed that the calibration of the parameters of the discrete element simulation model of latosol was accurate and reliable.

latosol; discrete element model; repose angle; parameter calibration; soil breaking resistance

2019-11-16

2020-03-08

國家自然科學基金（51865007）

邢潔潔，講師，主要從事熱帶智能農業機械研究。Email：584731137@qq.com

張喜瑞，教授，主要從事熱帶智能農業機械研究。Email：zhangxirui_999@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.018

S220.1

A

1002-6819(2020)-05-0158-09

邢潔潔，張 銳，吳 鵬，張喜瑞，董學虎，陳 瑛，汝紹鋒. 海南熱區磚紅壤顆粒離散元仿真模型參數標定[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：158－166. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.018 http://www.tcsae.org

Xing Jiejie, Zhang Rui, Wu Peng, Zhang Xirui, Dong Xuehu, Chen Ying, Ru Shaofeng. Parameter calibration of discrete element simulation model for latosol particles in hot areas of Hainan Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 158－166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.018 http://www.tcsae.org