基于離散元方法探究深松土壤擾動行為的多維度分析一、引言1.1研究背景與意義土壤作為農作物生長的基礎，其物理性質和結構對農業(yè)生產的成效起著決定性作用。在長期的農業(yè)生產實踐中，由于不合理的耕作方式、過度使用化肥以及機械壓實等因素的影響，土壤逐漸出現板結、通氣性和透水性下降、犁底層加厚等問題，這些問題嚴重制約了農作物的生長發(fā)育和產量提升。相關研究表明，我國部分地區(qū)的土壤容重已超出適宜范圍，導致農作物根系難以深扎，水分和養(yǎng)分的吸收受到阻礙。因此，改善土壤結構、提高土壤質量成為農業(yè)發(fā)展面臨的緊迫任務。土壤深松作為一種重要的土壤耕作技術，通過拖拉機牽引深松機具疏松土壤，打破堅硬的犁底層，加深耕層，能夠有效改善土壤的物理結構，增強土壤的蓄水保墑和抗旱排澇能力，為農作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。研究顯示，深松后的土壤透水率可提高5-7倍，蓄水能力是淺耕的2倍，可促進作物增產40-70公斤。深松還能減少地表徑流對土壤的沖刷，降低水土流失風險，保護土壤資源，對農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，深松過程中土壤的擾動行為十分復雜，涉及到土壤顆粒的運動、相互作用以及與深松機具的耦合作用。傳統(tǒng)的研究方法，如基于連續(xù)介質理論的土壤力學理論、邊界元法及有限元法等，難以準確揭示土壤的非連續(xù)性和離散特性，無法深入分析深松過程中土壤顆粒的運動軌跡、受力情況以及土壤的變形和破壞機制。離散元法（DiscreteElementMethod，DEM）的出現為解決這一問題提供了新的途徑。離散元法將土壤視為由一系列離散的、具有一定形狀和數量的顆粒組成，通過在相互接觸的土壤顆粒間及土壤顆粒與機械部件間建立相應的接觸力學模型，進行時間步長迭代，并利用動態(tài)松弛法、中心差分法及牛頓第二定律來求解每個土壤顆粒的受力和運動狀態(tài)。這種方法能夠直觀地模擬土壤顆粒的運動和破壞過程，深入分析土壤顆粒與機械部件的相互作用，從而為深松機具的優(yōu)化設計、深松工藝的改進提供理論依據。近年來，離散元法在土壤行為研究領域得到了廣泛應用。在取土器取土筒入土對土壤擾動影響的研究中，運用EDEM軟件進行仿真模擬，結果表明在垂直方向，土壤的上部及下部擾動較大，上部土壤容易出現向上隆起（即涌土現象），下部土壤易受擠壓變形，中間土壤擾動較?。辉谒椒较?，從筒中軸線到筒壁，土壤擾動逐漸增大。在分層深松鏟的研究中，通過離散元仿真和土槽試驗，分析了前后鏟距和分層高度對土壤擾動行為的影響，發(fā)現當前后鏟距增加時，土壤蓬松度和擾動系數呈現先增大后減小的趨勢；分層高度直接影響耕作時不同深度土壤在不同方向的位移。綜上所述，基于離散元方法研究深松土壤擾動行為具有重要的理論意義和實際應用價值。從理論層面來看，它能夠彌補傳統(tǒng)研究方法的不足，深入揭示深松過程中土壤的力學行為和微觀機理，豐富和完善土壤動力學理論。從實際應用角度出發(fā)，通過對深松土壤擾動行為的研究，可以為深松機具的設計和優(yōu)化提供科學依據，提高深松作業(yè)的質量和效率，降低作業(yè)成本，促進農業(yè)機械化的發(fā)展；有助于制定合理的深松耕作制度，根據不同土壤條件和作物需求，精準調控深松參數，實現土壤資源的合理利用和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內外研究現狀離散元法自提出以來，在巖土工程、地質災害、農業(yè)工程等眾多領域得到了廣泛應用。在土壤研究領域，離散元法為揭示土壤的復雜力學行為和顆粒間相互作用機制提供了有力工具。國外對離散元法在土壤研究中的應用起步較早。1996年，Thnaka率先用離散元模擬金屬棒插入土壤的過程，根據土壤的變形和阻力提出了相關理論，開啟了離散元在土壤力學研究領域的應用先河。此后，Oida等提出了包含粘結力的接觸力學模型，使土壤顆粒之間的粘附性更接近于實際土壤，并用此模型模擬了車輪在土壤中的運動狀態(tài)，為研究土壤與機械部件的相互作用提供了新的思路。Lin和Ng提出橢球模型，通過將橢球體和球體進行比較，指出土壤動態(tài)行為變化過程受顆粒形狀的影響較大，強調了顆粒形狀在土壤模擬中的重要性。Ting等人提出橢圓盤顆粒形狀的離散元法模型，深入分析了不同土壤顆粒形狀對切土部件工作阻力的影響，為土壤耕作機具的設計提供了理論依據。Favier等采用多個單元組合的形式來表達反對稱和非球形的顆粒形狀，形成顆粒簇或顆粒凝聚體，用以表征土壤粘聚性的特點，進一步完善了土壤顆粒模型。在深松土壤擾動研究方面，Tanaka等在2003年將離散單元法用于簡單振動深松鏟與土壤的相互作用研究，模擬了實際土壤顆粒之間的粘附性，為深松鏟的優(yōu)化設計提供了參考。Hofstetter在2005年用3DDEM模擬了挖掘鏟斗和土壤的相互作用，從三維角度揭示了土壤的擾動規(guī)律。Asaf同年用三維離散元模擬了幾種犁在土壤中的耕作過程，為耕作機具的研究提供了新的方法和視角。國內對離散元法在土壤研究中的應用雖起步相對較晚，但發(fā)展迅速。眾多學者利用離散元法研究工作部件與土壤的接觸作用和工作部件的工作過程。在取土器取土筒入土對土壤擾動影響的研究中，國內學者運用EDEM軟件進行仿真模擬，結果表明在垂直方向，土壤的上部及下部擾動較大，上部土壤容易出現向上隆起（即涌土現象），下部土壤易受擠壓變形，中間土壤擾動較??；在水平方向，從筒中軸線到筒壁，土壤擾動逐漸增大。在分層深松鏟的研究中，通過離散元仿真和土槽試驗，分析了前后鏟距和分層高度對土壤擾動行為的影響，發(fā)現當前后鏟距增加時，土壤蓬松度和擾動系數呈現先增大后減小的趨勢；分層高度直接影響耕作時不同深度土壤在不同方向的位移。然而，國內對于具有較復雜曲面的圓弧形深松鏟的研究還較少，大多數研究者用圓球來代表土壤顆粒，與實際的不規(guī)則土壤顆粒形狀存在差異，建立更符合實際的力學模型仍需深入研究。盡管國內外在基于離散元方法的土壤研究，尤其是深松土壤擾動方面取得了一定成果，但仍存在一些不足。一方面，目前的研究多集中在單一因素對土壤擾動的影響，對于多因素耦合作用下的土壤擾動行為研究較少，而實際深松作業(yè)中，土壤性質、深松機具參數、作業(yè)條件等多種因素相互影響，共同作用于土壤擾動過程。另一方面，離散元模型中的參數選取大多依賴經驗和試驗，缺乏系統(tǒng)的理論指導，不同研究者選取的參數存在差異，導致研究結果的可比性和通用性較差。此外，雖然離散元法能夠模擬土壤顆粒的運動和相互作用，但對于土壤微觀結構的變化以及土壤物理化學性質在擾動過程中的演變機制研究還不夠深入。未來的研究需要進一步加強多因素耦合作用的研究，建立更加科學合理的參數選取方法，深入探究土壤微觀結構和物理化學性質的變化機制，以完善深松土壤擾動行為的理論體系，為農業(yè)生產提供更有力的支持。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容土壤參數測定：采用篩分法、環(huán)刀法、烘干法和快剪法等，對試驗土壤的土質、密度、含水率、緊實度以及抗剪強度等參數進行精確測定。通過這些測定，獲取土壤的基本物理力學性質，為后續(xù)離散元模型的構建提供準確的參數依據。例如，通過篩分法確定土壤顆粒的粒徑分布，環(huán)刀法測量土壤的密度，烘干法測定土壤含水率，快剪法得到土壤的抗剪強度，這些參數對于模擬土壤在深松過程中的力學行為至關重要。離散元模型構建：利用EDEM軟件，建立符合實際土壤特性的離散元模型。在模型構建過程中，充分考慮土壤顆粒的形狀、大小分布、接觸模型以及相互作用關系。根據土壤的實際顆粒組成，采用多球單元重疊法構建單個土顆粒的幾何模型，以更準確地模擬土壤顆粒的真實形狀。同時，選擇合適的接觸力學模型，如考慮粘結力的接觸模型，來描述土壤顆粒間的相互作用，使模型更接近實際土壤行為。關鍵因素分析：運用構建好的離散元模型，對深松過程中的關鍵因素，如深松鏟的結構參數（前傾刃角、鏟柄圓弧半徑等）、作業(yè)參數（深松深度、作業(yè)速度等）以及土壤特性（土壤質地、含水率等）對土壤擾動行為的影響進行深入分析。通過改變這些因素的取值，進行多組仿真試驗，觀察土壤顆粒的運動軌跡、受力情況以及土壤的變形和破壞模式，揭示各因素對土壤擾動的影響規(guī)律。例如，研究前傾刃角從20°到90°變化時，深松鏟工作阻力、土壤剪切、流動和破碎過程的變化情況。模型驗證與優(yōu)化：進行玻璃土槽試驗，將離散元仿真結果與試驗結果進行對比分析，驗證模型的準確性和可靠性。在試驗中，使用高精度石英壓電式三向力傳感器和多通道電荷放大器測量土壤對深松鏟的動態(tài)作用力，利用高速攝像和數碼相機采集深松鏟作用下不同時間土壤的動態(tài)行為變化過程。根據驗證結果，對模型進行優(yōu)化和改進，進一步提高模型的精度和適用性，使其能夠更準確地預測深松土壤擾動行為。1.3.2研究方法離散元仿真方法：借助EDEM軟件強大的離散元分析功能，對深松土壤擾動過程進行數值模擬。在軟件中設置土壤顆粒和深松鏟的相關參數，定義接觸類型和相互作用關系，通過時間步長迭代計算，求解每個土壤顆粒的受力和運動狀態(tài)，從而得到土壤擾動的動態(tài)過程。利用軟件的后處理功能，對仿真結果進行可視化分析，直觀地觀察土壤顆粒的運動軌跡、速度分布、應力應變等信息。試驗研究方法：開展玻璃土槽試驗，搭建土壤動態(tài)行為試驗測試系統(tǒng)。以自行研制的玻璃土槽試驗臺作為試驗土槽和工作平臺，采用機床微機控制系統(tǒng)進行控制。通過高速攝像和數碼相機記錄深松鏟作用下土壤的動態(tài)行為變化過程，使用高精度石英壓電式三向力傳感器和多通道電荷放大器測量土壤對深松鏟的動態(tài)作用力，多通道電壓虛擬儀器和筆記本電腦組成的存儲系統(tǒng)用于記錄和存儲數據。通過試驗獲取真實的土壤擾動數據，為離散元模型的驗證和優(yōu)化提供依據。理論分析方法：結合土壤力學、接觸力學等相關理論知識，對離散元仿真和試驗結果進行深入分析。從理論層面解釋土壤擾動行為的內在機制，探討深松過程中土壤顆粒間的相互作用規(guī)律、力的傳遞方式以及土壤變形和破壞的力學原理。通過理論分析，進一步驗證和完善研究結果，為深松機具的優(yōu)化設計和深松工藝的改進提供理論支持。二、離散元方法基礎與土壤特性2.1離散元方法概述2.1.1基本原理離散元方法（DiscreteElementMethod，DEM）是一種用于計算大量顆粒在特定條件下運動的數值計算方法，其思想源于較早的分子動力學。該方法的基本原理是把研究對象分離為剛性元素的集合，使每個元素滿足牛頓第二定律，用中心差分的方法求解各元素的運動方程，從而得到研究對象的整體運動形態(tài)。在離散元方法中，將介質視為由一系列離散的獨立運動單元組成，這些單元的尺寸是細觀的，其運動受經典運動方程控制。以土壤顆粒為例，每個土壤顆粒被看作是一個獨立的剛性單元，顆粒之間通過接觸力相互作用。顆粒的受力包括體積力和接觸力兩類。體積力如重力、電磁力、流體作用力等各類外部作用力，接觸力則是顆粒之間或顆粒和其他固體表面接觸產生的表面作用力，包括表面接觸力、摩擦力、黏著力等。對于受力狀態(tài)已知的顆粒，給定初始時刻的速度和位置，即可通過對時間的積分獲取顆粒速度和位置隨時間的變化規(guī)律。其基本運動方程為：F=m\cdota=m\cdot\frac{dv}{dt}M=J\cdot\alpha=J\cdot\frac{d\omega}{dt}其中，F是作用在顆粒上的凈力，m是顆粒質量，a是顆粒的線性加速度，v是顆粒的線速度，t是時間；M是作用在顆粒上的凈力矩，J是顆粒的轉動慣量，\alpha是顆粒的角加速度，\omega是顆粒的角速度。離散元法采用動態(tài)松弛法求解方程，通過引入阻尼來提供耗能裝置，最大程度地模擬實際效果。在顆粒DEM中，阻尼系數的選取可以參考連續(xù)介質中阻尼的取法，引入工程中的黏性阻尼概念。常用的系統(tǒng)振動阻尼比Z的確定方法有半功率法和對數減量法等。2.1.2計算流程離散元方法的計算流程主要包括以下步驟：建立幾何模型并產生顆粒：根據實際需求構建幾何模型，在土壤深松模擬中，需構建包含深松鏟和土壤區(qū)域的模型。并在土壤區(qū)域內隨機產生顆粒來代表土壤，在生成過程中，要確保新產生的顆粒與現有顆粒之間沒有重疊，以免因過大的相互作用力導致系統(tǒng)崩潰，顆粒的初始速度可根據模擬需求設定。接觸探測：計算顆粒間的距離，若顆粒間存在接觸（即距離小于兩者半徑之和），則需通過接觸模型計算其相互作用力。確定接觸模型：接觸模型是離散元計算的核心，它定義了顆粒接觸時的相互作用力。通常將接觸模型分為非結合性和結合性兩類。非結合性模型不考慮顆粒間的相互吸引力，而是采用彈簧-粘壺模型近似表示顆粒間的相互作用，切向相互作用受到庫侖最大摩擦力的限制；結合性模型考慮到顆粒間的相互吸引力，具體模型包括Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型、Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模型和vanderWaals模型等。JKR模型適用于大且柔軟的顆粒，DMT模型適用于小且堅硬的顆粒，而vanderWaals模型則是基于顆粒間的vanderWaals相互作用直接推導得出。在模擬土壤顆粒時，需根據土壤的實際特性選擇合適的接觸模型，如考慮土壤顆粒間粘結力時，可選用結合性模型?？紤]其他相互作用力：根據外部條件，如濕度、電荷或磁場等因素，可能需要考慮其他類型的相互作用力。在潮濕土壤中，水分會影響顆粒之間的相互作用力和孔隙水壓力等，此時就需考慮水分對顆粒相互作用的影響?？紤]顆粒與邊界的相互作用：對于非周期性邊界條件，需要指定顆粒與邊界之間的相互作用模式。在深松模擬中，要確定土壤顆粒與深松鏟以及模型邊界的相互作用方式。計算總受力和加速度：綜合顆粒間的相互作用力、特殊相互作用力以及顆粒與邊界間的相互作用力，計算顆粒的總受力和加速度。更新顆粒狀態(tài)：根據加速度更新顆粒的速度、角速度和坐標等變量。保存數據：在模擬過程中，保存顆粒的運動狀態(tài)、受力情況等數據，以便后續(xù)分析。分析處理：對保存的數據進行分析處理，通過后處理軟件或工具，繪制顆粒的運動軌跡、速度分布、應力應變等圖表，深入研究顆粒體系的行為。2.1.3應用領域與優(yōu)勢離散元方法自提出以來，憑借其獨特的優(yōu)勢，在眾多領域得到了廣泛應用：巖石力學：在巖石力學研究中，離散元法可用于模擬節(jié)理巖體的變形和破壞過程。由于巖體通常包含大量的節(jié)理、裂隙等不連續(xù)結構，傳統(tǒng)的連續(xù)介質力學方法難以準確描述其力學行為。離散元法將巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成，允許巖塊平移、轉動和變形，節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動，能夠較真實地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。在分析邊坡巖體穩(wěn)定性時，可通過離散元模擬，直觀地展示邊坡巖體在受力后的運動及破壞過程，為邊坡工程的設計和加固提供依據。土力學：離散元法在土力學領域同樣發(fā)揮著重要作用。在地基沉降分析中，離散元法可以考慮土體顆粒間的復雜相互作用，更準確地預測地基的沉降量和沉降分布。通過模擬不同荷載條件下土體顆粒的運動和重新排列，深入了解地基沉降的機理。在研究擋土墻后土壓力分布時，離散元法能夠模擬土體與擋土墻之間的相互作用，考慮土體的非線性變形和顆粒間的摩擦特性，得到更符合實際情況的土壓力分布規(guī)律。粉體工程：在粉體工程中，離散元法被廣泛應用于研究粉體的流動、混合、壓實等過程。在粉體氣力輸送過程中，離散元法可模擬粉體顆粒在管道中的運動軌跡和速度分布，分析顆粒與管道壁之間的碰撞和摩擦，優(yōu)化輸送參數，提高輸送效率。在粉體混合過程中，通過離散元模擬可以研究不同粒徑、形狀的粉體顆粒在混合設備中的混合均勻性，為混合設備的設計和操作提供指導。離散元方法的優(yōu)勢主要體現在以下幾個方面：模擬顆粒間復雜相互作用：離散元法能夠直接模擬顆粒間的接觸、碰撞、摩擦、粘結等復雜相互作用，能夠考慮到顆粒的形狀、大小、表面性質等因素對相互作用的影響。與傳統(tǒng)的連續(xù)介質力學方法相比，離散元法可以更細致地描述顆粒體系的微觀力學行為，為深入研究顆粒材料的宏觀性質提供了有力工具。處理大變形問題：離散元法允許顆粒之間發(fā)生大位移、旋轉和分離，特別適合處理材料的大變形和破壞問題。在研究土壤深松過程中，土壤會發(fā)生劇烈的變形和破碎，離散元法能夠準確地模擬這一過程，直觀地展示土壤顆粒的運動和變形情況，揭示深松過程中土壤的破壞機制?？梢暬治觯弘x散元模擬結果可以通過可視化軟件進行直觀展示，用戶可以清晰地觀察到顆粒的運動軌跡、速度分布、受力情況等信息。這種可視化分析方式有助于深入理解顆粒體系的行為，發(fā)現其中的規(guī)律和問題，為工程設計和優(yōu)化提供直觀的依據。在深松土壤擾動模擬中，通過可視化分析可以直觀地看到不同深松參數下土壤顆粒的運動狀態(tài)和擾動范圍，便于分析和比較不同方案的效果。2.2土壤特性分析2.2.1土壤物理性質土壤物理性質是影響深松土壤擾動行為的重要因素，不同的物理性質會導致土壤在深松過程中呈現出不同的響應。土壤質地是指土壤中不同大小顆粒的組合比例，它直接影響土壤的孔隙結構和通氣透水性。砂土顆粒較大，孔隙大，通氣性和透水性良好，但保水保肥能力較弱；黏土顆粒細小，孔隙小，保水保肥能力強，但通氣性和透水性較差；壤土則兼具砂土和黏土的優(yōu)點，顆粒大小適中，孔隙結構合理，通氣透水性和保水保肥能力較為均衡。在深松過程中，土壤質地對深松機具的工作阻力和土壤的擾動效果有著顯著影響。砂土由于顆粒間的摩擦力較小，深松鏟容易切入土壤，工作阻力相對較小，但土壤擾動后容易松散，難以保持穩(wěn)定的結構；黏土由于顆粒間的粘結力較強，深松鏟切入土壤時需要克服較大的阻力，工作阻力較大，且在深松過程中土壤容易形成較大的土塊，不利于土壤的均勻疏松；壤土的物理性質較為適中，深松時工作阻力相對較小，土壤擾動后能夠形成較為理想的疏松結構，有利于作物根系的生長和發(fā)育。土壤密度是指單位體積土壤的質量，它反映了土壤顆粒的緊密程度。土壤密度越大，說明土壤顆粒排列越緊密，孔隙度越小，土壤的緊實度越高。在深松過程中，高密度的土壤對深松機具的作用力較大，深松鏟需要施加更大的力量才能穿透土壤，這不僅增加了機具的能耗，還可能導致深松鏟的磨損加劇。高密度土壤在深松后，由于顆粒間的相互作用力較強，土壤的松散程度相對較低，難以達到理想的深松效果。而低密度的土壤顆粒間的空隙較大，深松鏟容易切入，工作阻力較小，深松后土壤能夠較好地疏松，有利于改善土壤的通氣性和透水性。研究表明，當土壤密度在1.1-1.3g/cm3之間時，深松作業(yè)的效果較為理想，既能保證土壤的疏松程度，又能減少機具的能耗。土壤含水率是指土壤中水分的含量，它對土壤的物理性質和力學性質有著重要影響。當土壤含水率較低時，土壤顆粒間的粘結力較大，土壤質地堅硬，深松鏟切入土壤時需要克服較大的阻力，工作阻力大，且土壤在深松過程中容易破碎成小塊，不利于土壤的整體疏松。隨著土壤含水率的增加，土壤顆粒間的粘結力逐漸減小，土壤變得較為濕潤和柔軟，深松鏟切入土壤的阻力減小，工作阻力降低，深松過程中土壤更容易被翻動和疏松。但如果土壤含水率過高，土壤會變得過于泥濘，深松機具在作業(yè)時容易陷入土壤中，影響作業(yè)效率，且過高的含水率會導致土壤孔隙被水分填滿，通氣性變差，不利于作物根系的呼吸和生長。一般來說，適宜的土壤含水率范圍為15%-25%，在此范圍內進行深松作業(yè)，既能保證深松效果，又能提高作業(yè)效率。土壤孔隙率是指土壤孔隙體積占土壤總體積的百分比，它反映了土壤中孔隙的多少和大小分布情況。土壤孔隙率越大，說明土壤中的孔隙越多，通氣性和透水性越好，但保水保肥能力相對較弱；土壤孔隙率越小，土壤的通氣性和透水性較差，但保水保肥能力較強。在深松過程中，土壤孔隙率的變化會影響土壤的擾動行為和深松效果。深松作業(yè)可以打破土壤的緊實結構，增加土壤孔隙率，改善土壤的通氣性和透水性。但如果深松過度，可能會導致土壤孔隙過大，保水保肥能力下降，影響作物的生長。因此，在深松作業(yè)中，需要根據土壤的實際情況，合理控制深松深度和強度，以達到優(yōu)化土壤孔隙結構的目的。綜上所述，土壤質地、密度、含水率和孔隙率等物理性質相互關聯(lián)，共同影響著深松土壤擾動行為。在進行深松作業(yè)前，需要對土壤的物理性質進行全面的分析和評估，根據土壤的實際情況選擇合適的深松機具和作業(yè)參數，以提高深松作業(yè)的質量和效果，為作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。2.2.2土壤力學性質土壤力學性質在離散元模擬深松土壤擾動行為中起著關鍵作用，它直接影響著土壤顆粒間的相互作用以及土壤對深松機具的力學響應。土壤的抗剪強度是指土壤抵抗剪切破壞的能力，它是土壤力學性質的重要指標之一?？辜魪姸鹊拇笮∪Q于土壤顆粒間的摩擦力、粘結力以及法向應力等因素。在深松過程中，深松鏟對土壤施加剪切力，當剪切力超過土壤的抗剪強度時，土壤就會發(fā)生剪切破壞，產生位移和變形。砂土由于顆粒間的粘結力較小，主要依靠摩擦力來抵抗剪切力，其抗剪強度相對較低；黏土顆粒間的粘結力較大，抗剪強度較高。土壤的含水率也會對抗剪強度產生顯著影響，隨著含水率的增加，土壤顆粒間的粘結力減小，抗剪強度降低。準確了解土壤的抗剪強度，對于離散元模擬中設置合理的接觸模型參數至關重要，能夠更準確地模擬土壤在深松鏟作用下的剪切破壞過程?？箟簭姸仁侵竿寥赖挚箟毫ψ饔枚话l(fā)生破壞的能力。在深松作業(yè)中，深松鏟向下插入土壤時，會對土壤施加壓力，土壤需要承受這種壓力而不被過度壓實或破壞。抗壓強度較高的土壤能夠更好地承受深松鏟的壓力，保持一定的結構穩(wěn)定性；而抗壓強度較低的土壤則容易在壓力作用下發(fā)生變形和破碎。土壤的顆粒組成、密實度以及有機質含量等都會影響其抗壓強度。例如，顆粒較大、密實度較高的土壤，其抗壓強度相對較大；有機質含量豐富的土壤，由于有機質能夠改善土壤結構，增加土壤顆粒間的粘結力，從而提高土壤的抗壓強度。在離散元模擬中，考慮土壤的抗壓強度可以更真實地反映深松過程中土壤的力學行為，為深松機具的設計和優(yōu)化提供重要參考。內摩擦角是衡量土壤顆粒間摩擦力大小的一個參數，它反映了土壤顆粒間相互滑動的難易程度。內摩擦角越大，說明土壤顆粒間的摩擦力越大，土壤的抗剪強度也就越高。砂土的內摩擦角一般較大，因為其顆粒較大，表面相對粗糙，顆粒間的摩擦力較強；黏土的內摩擦角相對較小，這是由于黏土顆粒細小，表面較為光滑，且顆粒間存在較強的粘結力，摩擦力的作用相對較弱。在離散元模擬中，內摩擦角是確定顆粒間接觸力和摩擦力的重要參數之一。通過準確設定內摩擦角的值，可以更準確地模擬土壤顆粒在深松過程中的運動和相互作用，分析土壤的變形和破壞機制。綜上所述，土壤的抗剪強度、抗壓強度和內摩擦角等力學性質在離散元模擬深松土壤擾動行為中具有重要意義。這些力學性質相互關聯(lián)，共同決定了土壤在深松過程中的力學響應。在構建離散元模型時，需要準確獲取土壤的力學性質參數，并合理應用于模型中，以提高模擬結果的準確性和可靠性，為深入研究深松土壤擾動行為提供有力支持。三、基于離散元的深松土壤擾動模型構建3.1模型假設與簡化在構建基于離散元的深松土壤擾動模型時，為了便于分析和計算，需要對實際情況進行一些假設和簡化處理。對于土壤顆粒形狀，實際土壤顆粒形狀極為復雜，呈現出不規(guī)則的多面體形態(tài)，且大小和形狀各異。若完全按照實際形狀進行建模，計算量將極其龐大，甚至超出當前計算機的處理能力。因此，本研究采用多球單元重疊法來構建單個土顆粒的幾何模型。這種方法通過多個球體的組合來近似模擬不規(guī)則的土壤顆粒，既能在一定程度上反映土壤顆粒的不規(guī)則性，又能有效降低計算復雜度。在實際操作中，根據土壤的實際顆粒組成，選取合適數量和大小的球體進行重疊組合，使構建出的土顆粒模型在形狀和體積上盡可能接近真實土壤顆粒。通過這種簡化處理，在保證模型準確性的前提下，大大提高了計算效率，使得大規(guī)模的離散元模擬成為可能。在接觸方式方面，土壤顆粒間的相互作用十分復雜，涉及到多種力的作用。為了簡化模型，本研究選擇Hertz-MindlinwithJKR接觸模型來描述土壤顆粒間的接觸力學行為。該模型是一種具有內聚力的接觸模型，考慮了接觸區(qū)內范德華力的影響，能夠較好地模擬土壤顆粒間的粘結力和摩擦力。在土壤中，顆粒間的粘結力對土壤的結構穩(wěn)定性和力學性質起著重要作用，Hertz-MindlinwithJKR模型能夠準確地捕捉到這一特性。與其他接觸模型相比，如不考慮粘結力的Hertz-Mindlin模型，該模型更符合實際土壤的力學行為，能夠更準確地模擬深松過程中土壤顆粒的運動和相互作用。在模型中，通過合理設置接觸模型的參數，如彈性模量、泊松比、表面能等，來準確描述土壤顆粒間的接觸特性。這些參數的取值基于對實際土壤的物理力學性質的測定，以確保模型能夠真實地反映土壤的實際情況。關于邊界條件，在模擬深松土壤擾動時，將土壤區(qū)域視為一個有限的空間，設定模型的邊界條件為固定邊界。在實際深松作業(yè)中，土壤與周圍環(huán)境存在一定的相互作用，但為了簡化模型，忽略了土壤與周圍環(huán)境的復雜相互作用，僅考慮深松鏟與土壤之間的相互作用。將土壤區(qū)域的底部和側面設置為固定邊界，模擬實際土壤在地面和周圍土體約束下的情況。在頂部，設置為自由邊界，以模擬土壤與空氣的接觸界面。通過這樣的邊界條件設置，能夠在一定程度上模擬實際深松作業(yè)中土壤的受力和變形情況。這種簡化處理雖然忽略了一些次要因素，但能夠突出深松鏟與土壤之間的主要相互作用，便于對深松土壤擾動行為進行深入研究。這些假設和簡化處理是在綜合考慮計算效率和模型準確性的基礎上做出的，既能夠有效降低計算復雜度，又能在一定程度上準確反映深松土壤擾動的實際情況，為后續(xù)的模擬分析和結果討論提供了可靠的基礎。3.2土壤顆粒模型選擇與參數確定3.2.1顆粒模型類型在離散元模擬中，土壤顆粒模型的選擇至關重要，它直接影響模擬結果的準確性和可靠性。常見的土壤顆粒模型有球體模型和多面體模型等，不同模型各有其特點和適用范圍。球體模型是離散元模擬中最常用的顆粒模型之一。其優(yōu)點在于計算簡單，計算效率高，在顆粒間的接觸判斷和接觸力計算方面，球體模型具有明確的幾何關系和計算公式，能夠大大減少計算量，提高模擬速度。球體模型在模擬一些對顆粒形狀要求不高的情況時，能夠較好地反映顆粒體系的宏觀行為。在研究土壤的大規(guī)模流動和堆積問題時，球體模型可以快速得到較為準確的結果。但球體模型也存在明顯的局限性，它無法準確模擬實際土壤顆粒的不規(guī)則形狀。實際土壤顆粒形狀復雜多樣，表面粗糙且多為不規(guī)則的多面體，球體模型與實際土壤顆粒的差異較大，這會導致在模擬一些對顆粒形狀敏感的現象時，如土壤顆粒間的咬合、鑲嵌以及力的傳遞等，出現較大誤差。在研究土壤的抗剪強度和孔隙結構時，球體模型的模擬結果可能與實際情況存在偏差。多面體模型則更能反映實際土壤顆粒的不規(guī)則形狀。通過構建多面體模型，可以更真實地模擬土壤顆粒間的接觸方式和相互作用。多面體模型能夠更好地體現土壤顆粒間的咬合和摩擦特性，在模擬土壤的力學行為時，其結果更接近實際情況。在研究土壤的壓實過程中，多面體模型可以準確地模擬土壤顆粒在壓力作用下的重新排列和相互擠壓，得到更準確的壓實效果。然而，多面體模型的計算復雜度較高。多面體間的接觸判斷和接觸力計算需要考慮更多的幾何參數和相互作用情況，計算量大幅增加，這對計算機的性能要求較高，且計算時間較長，在大規(guī)模模擬中可能會受到限制。綜合考慮實際土壤顆粒的形狀特點以及計算效率和準確性的要求，本研究采用多球單元重疊法構建單個土顆粒的幾何模型。這種模型在一定程度上結合了球體模型和多面體模型的優(yōu)點，既能夠反映土壤顆粒的不規(guī)則形狀，又能在一定程度上降低計算復雜度。通過多個球體的重疊組合，可以近似模擬出實際土壤顆粒的復雜形狀，提高模型對土壤顆粒間相互作用的模擬精度。在模擬土壤顆粒的堆積過程時，多球單元重疊法構建的模型能夠更準確地反映土壤顆粒間的接觸和排列方式，得到更符合實際的堆積結構。同時，相較于復雜的多面體模型，多球單元重疊法的計算量相對較小，能夠在保證模擬精度的前提下，提高計算效率，滿足大規(guī)模離散元模擬的需求。3.2.2參數測定方法土壤顆粒的各項參數是離散元模型準確模擬深松土壤擾動行為的基礎，其準確性直接影響模擬結果的可靠性。本研究采用多種試驗方法對土壤顆粒的密度、彈性模量、泊松比、摩擦系數等關鍵參數進行測定。土壤顆粒密度是指單位體積內土壤顆粒的質量，它反映了土壤顆粒的緊密程度。采用環(huán)刀法測定土壤顆粒密度。具體步驟為：使用體積已知的環(huán)刀，在選定的土壤采樣點垂直壓入土壤中，使土壤充滿環(huán)刀。小心取出環(huán)刀，去除環(huán)刀外壁的土壤，然后將環(huán)刀連同其中的土壤一起稱重。用稱重得到的總質量減去環(huán)刀的質量，得到土壤的質量。最后，用土壤質量除以環(huán)刀的體積，即可得到土壤顆粒的密度。在某試驗田進行采樣，環(huán)刀體積為100cm3，環(huán)刀與土壤總質量為250g，環(huán)刀質量為50g，則土壤顆粒密度為(250-50)g/100cm3=2g/cm3。彈性模量是衡量土壤抵抗彈性變形能力的重要指標，它反映了土壤在受力時的變形特性。通過三軸壓縮試驗測定土壤的彈性模量。將圓柱形的土壤試樣放入三軸儀中，先對試樣施加圍壓，模擬土壤在實際環(huán)境中的側向壓力。然后，通過軸向加載裝置對試樣施加軸向壓力，同時測量試樣在軸向壓力作用下的軸向應變。根據胡克定律，彈性模量等于軸向應力與軸向應變的比值。在試驗中，當軸向應力達到100kPa時，測量得到軸向應變?yōu)?.005，則該土壤的彈性模量為100kPa/0.005=20000kPa。泊松比用于描述土壤在受力時橫向應變與軸向應變的比值，它反映了土壤在不同方向上的變形關系。同樣在三軸壓縮試驗中，除了測量軸向應變外，還需測量試樣在圍壓作用下的橫向應變。泊松比的計算公式為：橫向應變與軸向應變的比值。在上述三軸壓縮試驗中，當軸向應變測量為0.005時，橫向應變測量為0.002，則該土壤的泊松比為0.002/0.005=0.4。摩擦系數是表征土壤顆粒間摩擦力大小的參數，它對土壤的力學行為有著重要影響。采用直剪試驗測定土壤的摩擦系數。將土壤試樣放入直剪儀的上下盒中，對試樣施加垂直壓力，模擬土壤在實際中的上覆壓力。然后，通過水平加載裝置對試樣施加水平剪切力，使上下盒產生相對位移，測量試樣在剪切過程中的剪切力和位移。當試樣達到剪切破壞時，根據剪切力、垂直壓力以及土壤的抗剪強度公式，可計算出土壤的摩擦系數。在一次直剪試驗中，垂直壓力為50kPa，當試樣達到剪切破壞時，剪切力為30kPa，根據抗剪強度公式計算得到該土壤的摩擦系數約為0.6。通過這些試驗方法，可以準確測定土壤顆粒的各項參數，為離散元模型的構建提供可靠的數據支持，從而提高深松土壤擾動行為模擬的準確性和可靠性。3.3深松機具模型建立3.3.1幾何結構建模在深松土壤擾動行為的研究中，深松機具模型的建立是關鍵環(huán)節(jié)，其中幾何結構建模又是模型建立的基礎。本研究以常見的翼型深松鏟和分層深松鏟為研究對象，利用專業(yè)的三維建模軟件（如Pro/E、UG等）進行精確的幾何結構建模。對于翼型深松鏟，其獨特的翼形結構在深松過程中對土壤的擾動和破碎起著重要作用。在建模過程中，首先需要確定翼型深松鏟的關鍵結構參數，包括鏟尖的起土角、翼張角、翼寬以及鏟柄的相關參數等。這些參數的準確設定直接影響到深松鏟的工作性能和土壤擾動效果。以某型號翼型深松鏟為例，其起土角設計為30°，翼張角為60°，翼寬為150mm。通過在三維建模軟件中精確繪制這些參數，構建出鏟尖的三維模型。鏟尖的形狀通常為流線型，以減小入土阻力，其表面光滑過渡，避免應力集中。接著，根據鏟尖與鏟柄的裝配關系，建立鏟柄模型。鏟柄一般為柱狀結構，與鏟尖連接的一端通常會進行特殊設計，以增強連接的穩(wěn)定性和可靠性。在建立鏟柄模型時，需要考慮其長度、直徑以及與鏟尖的連接方式等因素。完成鏟尖和鏟柄模型的構建后，通過軟件的裝配功能，將兩者按照實際的裝配關系進行組裝，形成完整的翼型深松鏟幾何模型。在裝配過程中，要確保各部件之間的位置精度和連接緊密性，以準確模擬深松鏟在實際工作中的狀態(tài)。分層深松鏟的幾何結構相對更為復雜，它通常由多個部分組成，包括前鏟、后鏟以及連接部件等，其目的是實現對不同深度土壤的分層疏松。在對分層深松鏟進行建模時，同樣需要準確確定各個部分的結構參數。前鏟和后鏟的形狀、尺寸以及它們之間的相對位置關系都對分層深松效果有著重要影響。前鏟的入土角、切削刃形狀等參數決定了其切入土壤的難易程度和對上層土壤的擾動效果；后鏟的深度調節(jié)機構和鏟面角度則影響著對下層土壤的疏松效果。在三維建模軟件中，分別構建前鏟和后鏟的模型。前鏟模型的設計注重其入土性能和對表層土壤的破碎能力，通常采用尖銳的切削刃和合適的入土角度。后鏟模型則更關注其對深層土壤的疏松效果和與前鏟的協(xié)同工作。完成前鏟和后鏟模型的構建后，根據分層深松鏟的實際結構，添加連接部件模型，將前鏟和后鏟連接起來。連接部件的設計要保證前鏟和后鏟之間的相對位置固定，同時能夠傳遞深松過程中的作用力。在裝配過程中，仔細調整各部件的位置和角度，確保分層深松鏟模型的準確性。通過以上步驟，利用三維建模軟件成功建立了翼型深松鏟和分層深松鏟的精確幾何模型。這些模型不僅能夠直觀地展示深松鏟的結構特點，還為后續(xù)的離散元模擬提供了準確的幾何形狀和尺寸信息。在模擬過程中，深松鏟模型與土壤顆粒模型相互作用，能夠真實地反映深松過程中土壤的擾動行為，為深入研究深松土壤擾動機制提供了有力的工具。3.3.2材料屬性設置深松機具在工作過程中，需要承受土壤的巨大作用力，因此其材料屬性對深松作業(yè)的效果和機具的使用壽命有著重要影響。在離散元模型中，準確設置深松機具的材料屬性是保證模擬結果準確性的關鍵。深松機具通常采用高強度的金屬材料，如65Mn鋼等。這種材料具有良好的綜合力學性能，能夠滿足深松作業(yè)的要求。在模型中設置材料屬性時，需要確定其彈性模量、屈服強度、泊松比、密度等關鍵參數。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標，它反映了材料在受力時的變形特性。65Mn鋼的彈性模量一般在200-210GPa之間，在模型中設置為206GPa。屈服強度是材料開始產生明顯塑性變形時的應力，對于65Mn鋼，其屈服強度約為375MPa。泊松比用于描述材料在受力時橫向應變與軸向應變的比值，65Mn鋼的泊松比通常在0.28-0.3之間，在模型中設置為0.29。密度是單位體積材料的質量，65Mn鋼的密度為7.85g/cm3。除了上述基本力學性能參數外，還需要考慮材料的摩擦系數和磨損特性。摩擦系數影響深松機具與土壤之間的摩擦力，進而影響深松作業(yè)的阻力。通過相關試驗或參考資料，確定65Mn鋼與土壤之間的摩擦系數為0.35。磨損特性則關系到深松機具的使用壽命，在模型中可以通過設置磨損模型來考慮材料的磨損情況。采用Archard磨損模型，該模型認為從表面移除的材料量與在表面移動的顆粒完成的摩擦所做的功成正比。根據實際情況，設置磨損系數等相關參數，以模擬深松機具在工作過程中的磨損過程。在離散元軟件中，按照確定的材料屬性參數進行設置。在EDEM軟件中，找到材料屬性設置選項，依次輸入彈性模量、屈服強度、泊松比、密度、摩擦系數等參數，并選擇合適的磨損模型和設置相應的磨損參數。通過準確設置這些材料屬性參數，能夠使深松機具模型在離散元模擬中更真實地反映其力學行為和工作狀態(tài)，為研究深松過程中土壤與機具的相互作用提供可靠的基礎。3.4接觸模型與相互作用設置3.4.1接觸力計算模型在離散元模擬中，接觸力計算模型的選擇對于準確模擬土壤顆粒間的相互作用至關重要。本研究選用Hertz-MindlinwithJKR接觸模型來計算土壤顆粒間的接觸力。Hertz-MindlinwithJKR接觸模型是一種具有內聚力的接觸模型，它充分考慮了接觸區(qū)內范德華力的影響，能夠很好地模擬土壤顆粒間的粘結力和摩擦力，適用于模擬干粉或濕物料等強粘性系統(tǒng)。在該模型中，法向力和切向力的計算較為復雜，下面詳細介紹其計算原理。法向力的計算是基于Hertz接觸理論，同時考慮了接觸區(qū)內范德華力的影響。當兩個顆粒相互接觸時，它們之間會產生彈性變形，法向力與顆粒間的重疊量密切相關。具體計算公式為：F_n=\frac{4}{3}E^*\sqrt{R^*\delta_n^3}+\frac{3\pi\gammaR^*}{2}其中，F_n為法向力，E^*為等效彈性模量，R^*為等效半徑，\delta_n為法向重疊量，\gamma為表面能。等效彈性模量E^*和等效半徑R^*的計算公式分別為：\frac{1}{E^*}=\frac{1-\nu_1^2}{E_1}+\frac{1-\nu_2^2}{E_2}\frac{1}{R^*}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}其中，E_1、E_2分別為兩個顆粒的彈性模量，\nu_1、\nu_2分別為兩個顆粒的泊松比，R_1、R_2分別為兩個顆粒的半徑。切向力的計算則基于Mindlin理論，同時考慮了切向阻尼力。切向力的增量與切向相對位移和切向阻尼系數有關。在計算切向力時，首先需要判斷顆粒間是否發(fā)生滑動。若未發(fā)生滑動，則切向力的增量\DeltaF_t為：\DeltaF_t=-2G^*\sqrt{R^*\delta_n}\Delta\delta_t-\frac{4}{3}\beta_t\sqrt{G^*R^*\delta_n^3}\frac{\Delta\delta_t}{\Deltat}其中，G^*為等效剪切模量，\Delta\delta_t為切向相對位移增量，\beta_t為切向阻尼系數，\Deltat為時間步長。等效剪切模量G^*的計算公式為：\frac{1}{G^*}=\frac{2(2-\nu_1)}{G_1(1+\nu_1)}+\frac{2(2-\nu_2)}{G_2(1+\nu_2)}其中，G_1、G_2分別為兩個顆粒的剪切模量。若顆粒間發(fā)生滑動，則切向力F_t需滿足庫侖摩擦定律，即：|F_t|\leq\mu|F_n|其中，\mu為摩擦系數。在實際應用中，這些參數的準確確定是保證模型準確性的關鍵。彈性模量、泊松比、剪切模量等參數可通過試驗測定。對于土壤顆粒，可采用三軸壓縮試驗、直剪試驗等方法測定其彈性模量、泊松比和剪切模量。表面能\gamma和摩擦系數\mu則可通過參考相關文獻或進行專門的試驗來確定。在研究某種特定土壤時，可查閱該地區(qū)土壤的相關研究資料，獲取表面能和摩擦系數的參考值。也可通過自制的試驗裝置，進行土壤顆粒間的粘結力和摩擦力試驗，直接測定表面能和摩擦系數。通過合理確定這些參數，Hertz-MindlinwithJKR接觸模型能夠準確地模擬土壤顆粒間的接觸力，為深松土壤擾動行為的研究提供可靠的基礎。3.4.2顆粒與機具相互作用在深松作業(yè)過程中，土壤顆粒與深松機具之間存在著復雜的相互作用，這些相互作用對深松效果和機具的工作性能有著重要影響。在離散元模型中，需要準確考慮這些相互作用，并進行相應的設置。土壤顆粒與深松機具之間的摩擦力是影響深松作業(yè)的重要因素之一。摩擦力的大小取決于土壤顆粒與機具表面的粗糙度、接觸壓力以及摩擦系數等。在離散元模型中，采用庫侖摩擦定律來描述土壤顆粒與機具之間的摩擦力。當土壤顆粒與深松機具表面接觸時，若兩者之間存在相對運動趨勢，則會產生摩擦力。摩擦力的方向與相對運動趨勢的方向相反，大小為：F_f=\muF_n其中，F_f為摩擦力，\mu為摩擦系數，F_n為法向接觸力。摩擦系數\mu的取值與土壤顆粒和機具的材料性質、表面粗糙度等因素有關。對于不同材料制成的深松機具和不同類型的土壤，摩擦系數會有所不同。在實際模擬中，可通過試驗測定或參考相關文獻來確定摩擦系數的取值。對于65Mn鋼制成的深松鏟與某種特定土壤之間的摩擦系數，可通過在土槽中進行試驗，測量深松鏟在不同工況下的工作阻力，進而反推得到摩擦系數。土壤顆粒與深松機具之間的黏著力同樣對深松作業(yè)有著不可忽視的影響。黏著力的產生主要是由于土壤顆粒間的范德華力、靜電力以及土壤中的水分等因素。在離散元模型中，采用Hertz-MindlinwithJKR接觸模型來考慮土壤顆粒與機具之間的黏著力。該模型通過引入表面能\gamma來描述顆粒間的黏著作用。當土壤顆粒與深松機具表面接觸時，它們之間會產生黏著力，黏著力的大小與表面能、顆粒間的重疊量等因素有關。在法向力的計算中，黏著力表現為公式中的\frac{3\pi\gammaR^*}{2}這一項。表面能\gamma的取值與土壤的性質、含水率以及機具表面的性質等因素有關。對于含水率較高的土壤，其表面能相對較大，顆粒與機具之間的黏著力也會增強。在模擬過程中，可根據實際土壤的性質和含水率，通過試驗或參考相關資料來確定表面能的取值。為了準確模擬土壤顆粒與機具之間的相互作用，還需要考慮顆粒與機具的接觸判斷和接觸力計算。在離散元模型中，通過計算土壤顆粒與機具表面之間的距離來判斷是否發(fā)生接觸。若顆粒與機具表面的距離小于兩者半徑之和，則認為它們發(fā)生了接觸。一旦判斷出接觸，便根據Hertz-MindlinwithJKR接觸模型計算顆粒與機具之間的接觸力，包括法向力和切向力。在計算過程中，充分考慮土壤顆粒和機具的材料屬性、幾何形狀以及表面性質等因素，以確保計算結果的準確性。在模擬深松鏟與土壤顆粒的接觸時，考慮深松鏟的材料屬性（如彈性模量、泊松比等）以及鏟面的幾何形狀（如鏟尖的形狀、鏟翼的角度等），這些因素都會影響接觸力的大小和方向。通過在離散元模型中合理考慮土壤顆粒與深松機具之間的摩擦力、黏著力以及接觸力計算等相互作用，能夠更真實地模擬深松作業(yè)過程，為深入研究深松土壤擾動行為提供有力的支持。這有助于揭示深松過程中土壤與機具之間的相互作用機制，為深松機具的優(yōu)化設計和深松工藝的改進提供科學依據。四、深松土壤擾動行為的模擬分析4.1模擬工況設置4.1.1深松深度變化在離散元模擬中，設置不同的深松深度，分別為20cm、25cm、30cm，以研究其對土壤擾動范圍、深度和程度的影響。在實際農業(yè)生產中，深松深度是影響深松效果的關鍵因素之一，不同的深松深度會導致土壤的擾動情況發(fā)生顯著變化。當深松深度為20cm時，深松鏟主要作用于土壤的淺層部分。從模擬結果可以看出，土壤的擾動范圍主要集中在深松鏟周圍較小的區(qū)域，擾動深度基本與深松深度一致。在垂直方向上，深松鏟下方的土壤顆粒受到較大的作用力，被向下擠壓和翻動，形成一個相對疏松的區(qū)域。在水平方向上，擾動范圍相對較窄，距離深松鏟較遠的土壤顆粒受到的影響較小。土壤的擾動程度相對較小，顆粒間的排列方式變化不大，只是在深松鏟作用的直接區(qū)域內，土壤顆粒的位置發(fā)生了一定的改變。隨著深松深度增加到25cm，土壤的擾動范圍和程度都有所增大。在垂直方向上，擾動深度進一步加深，深松鏟下方更深層次的土壤顆粒被擾動，土壤的疏松區(qū)域向下延伸。在水平方向上，擾動范圍也有所擴大，距離深松鏟更遠的土壤顆粒開始受到影響。土壤的擾動程度明顯增強，更多的土壤顆粒參與到運動中，顆粒間的排列方式發(fā)生了較大的改變，土壤的孔隙結構得到了進一步的改善。當深松深度達到30cm時，土壤的擾動情況又有了新的變化。在垂直方向上，擾動深度達到了設定的30cm，深層土壤得到了充分的疏松。在水平方向上，擾動范圍進一步擴大，影響區(qū)域明顯增加。土壤的擾動程度達到了較大值，土壤顆粒的運動更加劇烈，顆粒間的相互作用更加復雜，土壤的結構發(fā)生了顯著的改變，形成了更加疏松和透氣的土壤結構。通過對不同深松深度下土壤擾動行為的模擬分析，可以清晰地看到，隨著深松深度的增加，土壤的擾動范圍逐漸擴大，擾動深度逐漸加深，擾動程度逐漸增強。深松深度的增加使得更多的土壤得到疏松，有利于改善土壤的通氣性、透水性和保肥能力，為作物根系的生長提供更好的土壤環(huán)境。但深松深度也并非越大越好，過大的深松深度可能會導致土壤養(yǎng)分流失、水土流失等問題，同時也會增加作業(yè)成本和能耗。因此，在實際農業(yè)生產中，需要根據土壤的性質、作物的需求以及作業(yè)條件等因素，合理選擇深松深度，以達到最佳的深松效果。4.1.2作業(yè)速度改變設定不同的作業(yè)速度，分別為0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s，分析速度變化對土壤擾動特性的影響。作業(yè)速度是深松作業(yè)中的一個重要參數，它不僅影響作業(yè)效率，還對土壤擾動特性有著顯著的影響。當作業(yè)速度為0.5m/s時，深松鏟在土壤中移動的速度較慢，與土壤顆粒的接觸時間相對較長。從模擬結果可以看出，土壤顆粒有足夠的時間對深松鏟的作用力做出響應。在深松鏟前方，土壤顆粒被逐漸擠壓和堆積，形成一個較高的土堆。隨著深松鏟的推進，土堆逐漸向后移動，土壤顆粒在這個過程中被翻動和疏松。由于作業(yè)速度較慢，土壤顆粒的運動相對較為平穩(wěn)，擾動范圍相對較小，但擾動程度相對較大，土壤顆粒間的排列方式發(fā)生了較大的改變，土壤的疏松效果較好。當作業(yè)速度提高到1.0m/s時，深松鏟在土壤中的移動速度加快，與土壤顆粒的接觸時間縮短。在深松鏟前方，土壤顆粒受到的沖擊力增大，土堆的形成和移動速度也加快。土壤顆粒在短時間內受到較大的作用力，開始快速運動和分散。此時，土壤的擾動范圍有所擴大，不僅深松鏟周圍的土壤顆粒受到影響，距離深松鏟一定距離的土壤顆粒也開始參與運動。但由于作業(yè)速度的加快，土壤顆粒的運動相對較為劇烈，擾動程度相對0.5m/s時有所減小，部分土壤顆?？赡軟]有充分被翻動和疏松，土壤的疏松效果相對稍差。當作業(yè)速度進一步提高到1.5m/s時，深松鏟在土壤中的移動速度更快，與土壤顆粒的接觸時間更短。深松鏟前方的土壤顆粒受到的沖擊力更大，土堆迅速形成并快速向后移動。土壤顆粒在強大的沖擊力作用下，快速向四周飛濺和擴散。此時，土壤的擾動范圍進一步擴大，影響區(qū)域明顯增加。但由于作業(yè)速度過快，土壤顆粒的運動過于劇烈，很多土壤顆粒只是被簡單地拋起和散落，沒有得到充分的翻動和疏松，擾動程度相對較小，土壤的疏松效果明顯變差。通過對不同作業(yè)速度下土壤擾動特性的模擬分析，可以得出，隨著作業(yè)速度的增加，土壤的擾動范圍逐漸擴大，但擾動程度逐漸減小。作業(yè)速度的提高雖然可以增加作業(yè)效率，但會導致土壤的疏松效果下降。在實際深松作業(yè)中，需要綜合考慮作業(yè)效率和土壤擾動效果，選擇合適的作業(yè)速度。對于質地較疏松的土壤，可以適當提高作業(yè)速度，以提高作業(yè)效率；而對于質地較緊實的土壤，則需要降低作業(yè)速度，以保證土壤能夠得到充分的疏松。還需要考慮深松機具的性能和穩(wěn)定性，確保在不同作業(yè)速度下，深松機具能夠正常工作，避免出現故障和安全問題。4.1.3鏟具結構參數調整改變深松鏟的鏟間距、前后鏟距、分層高度等結構參數，探究其對土壤擾動行為的影響規(guī)律。鏟具結構參數是影響深松土壤擾動行為的重要因素，不同的結構參數會導致深松鏟與土壤的相互作用方式發(fā)生變化，從而影響土壤的擾動效果。在研究鏟間距對土壤擾動的影響時，設置了不同的鏟間距，分別為30cm、40cm、50cm。當鏟間距為30cm時，相鄰深松鏟之間的距離較近，土壤受到多個深松鏟的共同作用。從模擬結果可以看出，土壤的擾動范圍在相鄰深松鏟之間相互重疊，形成一個較為連續(xù)的疏松區(qū)域。土壤顆粒在多個深松鏟的作用下，運動較為復雜，顆粒間的相互碰撞和摩擦增加，擾動程度相對較大，土壤的疏松效果較好，但可能會導致土壤過度擾動，增加作業(yè)能耗。當鏟間距增加到40cm時，相鄰深松鏟之間的距離適中。此時，土壤的擾動范圍在相鄰深松鏟之間有一定的間隔，但仍有部分重疊。土壤顆粒的運動相對較為有序，擾動程度適中，既能保證土壤得到較好的疏松，又能避免過度擾動，作業(yè)能耗相對較為合理。當鏟間距增大到50cm時，相鄰深松鏟之間的距離較遠，土壤的擾動范圍在相鄰深松鏟之間間隔較大。此時，土壤顆粒主要受到單個深松鏟的作用，擾動范圍相對較小，擾動程度相對較弱，土壤的疏松效果可能會受到一定影響，部分區(qū)域的土壤可能無法得到充分的疏松。對于前后鏟距的研究，設置了不同的前后鏟距，分別為20cm、30cm、40cm。當前后鏟距為20cm時，前鏟和后鏟之間的距離較近，后鏟能夠及時對前鏟擾動后的土壤進行進一步處理。從模擬結果可以看出，土壤的擾動深度和程度相對較大，前鏟松動的土壤在后鏟的作用下，能夠得到更充分的翻動和疏松，有利于改善深層土壤的結構。但由于前后鏟距較近，可能會導致后鏟受到的阻力較大，增加深松機具的負荷。當前后鏟距增加到30cm時，前鏟和后鏟之間的距離適中。此時，后鏟能夠較好地利用前鏟擾動后的土壤狀態(tài)，進一步擴大土壤的擾動范圍和程度。土壤的疏松效果較好，深松機具的負荷相對較為合理。當前后鏟距增大到40cm時，前鏟和后鏟之間的距離較遠，后鏟對前鏟擾動后的土壤作用相對較弱。此時，土壤的擾動深度和程度可能會受到一定影響，深層土壤的疏松效果可能不如前后鏟距較小時，且可能會導致土壤擾動的不均勻性增加。在研究分層高度對土壤擾動的影響時，設置了不同的分層高度，分別為10cm、15cm、20cm。當分層高度為10cm時，分層較淺，深松鏟主要對淺層土壤進行擾動。從模擬結果可以看出，土壤的擾動范圍主要集中在淺層，深層土壤受到的影響較小。淺層土壤的擾動程度相對較大，能夠有效改善淺層土壤的通氣性和透水性，但對于深層土壤的改良效果有限。當分層高度增加到15cm時，分層適中，深松鏟能夠對一定深度范圍內的土壤進行擾動。此時，土壤的擾動范圍和程度在淺層和深層都有較好的表現，既能改善淺層土壤的結構，又能對深層土壤進行一定程度的疏松，有利于作物根系的生長和發(fā)育。當分層高度增大到20cm時，分層較深，深松鏟主要對深層土壤進行擾動。此時，深層土壤的擾動程度相對較大，能夠有效打破深層土壤的緊實結構，改善深層土壤的通氣性和透水性。但淺層土壤可能受到的擾動相對較小，需要結合其他耕作措施，以全面改善土壤的結構。通過對深松鏟鏟間距、前后鏟距、分層高度等結構參數的調整和模擬分析，可以得出，不同的結構參數對土壤擾動行為有著顯著的影響。在實際深松作業(yè)中，需要根據土壤的性質、作物的需求以及作業(yè)條件等因素，合理選擇深松鏟的結構參數，以達到最佳的深松效果。合理的鏟間距可以保證土壤得到均勻的疏松，避免過度擾動和作業(yè)能耗的增加；合適的前后鏟距可以充分發(fā)揮前鏟和后鏟的協(xié)同作用，提高土壤的疏松效果；恰當的分層高度可以根據土壤的實際情況，有針對性地對不同深度的土壤進行改良，促進作物的生長和發(fā)育。4.2模擬結果與分析4.2.1土壤擾動區(qū)域特征不同工況下，土壤擾動區(qū)域呈現出顯著的差異，這些差異與深松深度、作業(yè)速度以及鏟具結構參數等因素密切相關。在不同深松深度的工況下，土壤擾動區(qū)域的形狀和大小變化明顯。當深松深度為20cm時，擾動區(qū)域主要集中在深松鏟周圍，呈近似橢圓形。在垂直方向上，擾動深度基本與深松深度一致，約為20cm；在水平方向上，擾動范圍相對較窄，以深松鏟為中心，向兩側擴展的距離有限。隨著深松深度增加到25cm，擾動區(qū)域在垂直方向上進一步加深，水平方向上的范圍也有所擴大。此時，擾動區(qū)域的形狀依然近似橢圓形，但長軸和短軸都有所增長。當深松深度達到30cm時，擾動區(qū)域的垂直深度和水平范圍都顯著增大。在垂直方向上，深層土壤被充分擾動；在水平方向上，擾動范圍向更遠處延伸，且擾動區(qū)域的形狀逐漸變得不規(guī)則，這是由于深層土壤的力學性質和顆粒分布與淺層土壤不同，導致深松鏟在作業(yè)過程中對土壤的擾動方式發(fā)生變化。作業(yè)速度的改變也對土壤擾動區(qū)域產生重要影響。當作業(yè)速度為0.5m/s時，深松鏟與土壤顆粒的接觸時間相對較長，土壤顆粒有足夠的時間對深松鏟的作用力做出響應。擾動區(qū)域相對較為集中，土壤顆粒的運動較為有序，以深松鏟為中心，形成一個相對穩(wěn)定的擾動區(qū)域。隨著作業(yè)速度提高到1.0m/s，深松鏟在土壤中的移動速度加快，與土壤顆粒的接觸時間縮短。此時，擾動區(qū)域有所擴大，土壤顆粒的運動變得更加復雜，部分土壤顆粒在高速運動下被拋向更遠的位置，導致擾動區(qū)域的邊界變得模糊。當作業(yè)速度進一步提高到1.5m/s時，深松鏟對土壤的沖擊力增大，擾動區(qū)域進一步擴大，但擾動區(qū)域內土壤顆粒的分布更加不均勻。由于作業(yè)速度過快，一些土壤顆粒未能充分受到深松鏟的作用，導致擾動區(qū)域內出現部分未被有效擾動的區(qū)域。鏟具結構參數的調整同樣會導致土壤擾動區(qū)域的特征發(fā)生變化。在研究鏟間距對土壤擾動的影響時，當鏟間距為30cm時，相鄰深松鏟之間的距離較近，土壤受到多個深松鏟的共同作用。擾動區(qū)域在相鄰深松鏟之間相互重疊，形成一個較為連續(xù)的疏松區(qū)域。隨著鏟間距增加到40cm，相鄰深松鏟之間的距離適中，擾動區(qū)域在相鄰深松鏟之間有一定的間隔，但仍有部分重疊。當鏟間距增大到50cm時，相鄰深松鏟之間的距離較遠，擾動區(qū)域在相鄰深松鏟之間間隔較大，部分區(qū)域的土壤可能無法得到充分的擾動。不同工況下土壤擾動區(qū)域的特征變化明顯，深松深度、作業(yè)速度和鏟具結構參數等因素對擾動區(qū)域的形狀、大小和邊界產生顯著影響。在實際深松作業(yè)中，需要根據土壤的性質、作物的需求以及作業(yè)條件等因素，合理選擇這些參數，以獲得理想的土壤擾動效果，為作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。4.2.2土壤顆粒運動軌跡通過對土壤顆粒在深松過程中運動軌跡的細致觀察，能夠深入了解土壤顆粒的位移、速度和加速度等變化情況，從而揭示深松土壤擾動的內在機制。在深松過程中，土壤顆粒的位移呈現出復雜的模式。靠近深松鏟的土壤顆粒，在深松鏟的直接作用下，位移較大。在深松鏟入土階段，土壤顆粒受到深松鏟的擠壓和切削力，向四周和下方產生位移。隨著深松鏟的推進，部分土壤顆粒被向上翻動，形成土壟，其位移方向主要向上和向兩側。遠離深松鏟的土壤顆粒，雖然受到的作用力相對較小，但由于土壤顆粒之間的相互傳遞作用，也會產生一定的位移。在水平方向上，土壤顆粒的位移隨著與深松鏟距離的增加而逐漸減??；在垂直方向上，深層土壤顆粒的位移相對較小，主要是在深松鏟的影響下發(fā)生微小的調整。不同深度的土壤顆粒，其位移也存在差異。淺層土壤顆粒受到的擾動較大，位移較為明顯；深層土壤顆粒由于受到上層土壤的覆蓋和約束，位移相對較小。土壤顆粒的速度變化與深松過程密切相關。在深松鏟切入土壤的瞬間，與深松鏟直接接觸的土壤顆粒速度迅速增大，這是由于深松鏟的高速運動對土壤顆粒產生了強大的沖擊力。隨著深松鏟的繼續(xù)推進，土壤顆粒的速度逐漸穩(wěn)定，但在深松鏟周圍，土壤顆粒的速度仍然較高，這是因為深松鏟的持續(xù)作用導致土壤顆粒不斷運動和相互碰撞。遠離深松鏟的土壤顆粒速度相對較低，且速度變化較為平緩。在土壤顆粒的運動過程中，還會出現速度方向的改變。當土壤顆粒受到深松鏟的擠壓和碰撞時，其速度方向會發(fā)生偏轉，導致土壤顆粒的運動軌跡變得復雜。土壤顆粒的加速度在深松過程中也呈現出明顯的變化。在深松鏟切入土壤的初期，土壤顆粒受到的作用力急劇增加，加速度迅速增大。隨著深松鏟的推進，土壤顆粒所受的作用力逐漸穩(wěn)定，加速度也相應減小。在土壤顆粒的運動過程中，由于受到其他顆粒的碰撞和摩擦，加速度會發(fā)生波動。當兩個土壤顆粒相互碰撞時，它們的加速度會瞬間發(fā)生變化，碰撞后又會根據新的受力情況重新調整加速度。在深松鏟周圍，土壤顆粒的加速度變化較為頻繁，這是因為該區(qū)域內土壤顆粒的運動較為復雜，相互作用強烈。土壤顆粒在深松過程中的運動軌跡、位移、速度和加速度等變化情況相互關聯(lián)，共同反映了深松土壤擾動的動態(tài)過程。通過對這些變化的深入分析，可以為深松機具的優(yōu)化設計提供依據，例如調整深松鏟的形狀和結構，以更好地控制土壤顆粒的運動，提高深松效果；還可以為深松作業(yè)參數的合理選擇提供指導，如選擇合適的作業(yè)速度，以減少土壤顆粒的過度擾動，降低作業(yè)能耗。4.2.3土壤應力應變分布在深松過程中，土壤內部的應力應變分布呈現出特定的規(guī)律，這些規(guī)律對于理解土壤的變形和破壞機制具有重要意義。通過模擬結果可以清晰地看到，在深松鏟的前端和側面，存在明顯的應力集中區(qū)域。這是因為深松鏟在切入土壤時，需要克服土壤的阻力，從而在這些部位產生較大的作用力。在深松鏟前端，土壤顆粒受到強烈的擠壓和切削作用，應力高度集中。隨著深松鏟的推進，應力逐漸向周圍傳遞，但在前端始終保持較高的應力水平。在深松鏟側面，由于土壤顆粒與鏟面的摩擦和相互作用，也會形成應力集中區(qū)域。這些應力集中區(qū)域的存在，導致土壤顆粒間的接觸力增大，顆粒間的相對位移增加，從而使土壤更容易發(fā)生變形和破壞。土壤的應變較大部位主要出現在擾動區(qū)域內。在深松鏟周圍的土壤，由于受到深松鏟的直接作用，發(fā)生了顯著的變形，應變值較大。在垂直方向上，深松鏟下方的土壤應變較為明顯，這是因為深松鏟的向下作用力使土壤顆粒被壓縮和移動，導致土壤結構發(fā)生改變。在水平方向上，擾動區(qū)域邊緣的土壤應變也相對較大，這是由于擾動區(qū)域內土壤顆粒的運動對邊緣土壤產生了擠壓和拉伸作用。隨著與深松鏟距離的增加，土壤的應變逐漸減小。遠離深松鏟的土壤，受到的擾動較小，應變值也較低。土壤的應力應變分布還與深松深度、作業(yè)速度以及鏟具結構參數等因素有關。隨著深松深度的增加，深層土壤的應力應變也會相應增大。這是因為深松鏟需要克服更深層土壤的阻力，從而在深層土壤中產生更大的應力。作業(yè)速度的提高會使深松鏟對土壤的沖擊力增大，導致土壤的應力應變分布發(fā)生變化。較高的作業(yè)速度會使應力集中區(qū)域更加明顯，土壤的應變也會增大。鏟具結構參數的調整同樣會影響土壤的應力應變分布。不同的鏟間距、前后鏟距和分層高度等，會改變深松鏟與土壤的相互作用方式，從而導致應力應變分布的差異。較小的鏟間距會使相鄰深松鏟之間的土壤受到更強烈的作用，應力應變分布更加復雜。深松過程中土壤內部的應力應變分布規(guī)律與深松鏟的作用密切相關，應力集中區(qū)域和應變較大部位的存在對土壤的變形和破壞起著關鍵作用。深入研究這些規(guī)律，有助于優(yōu)化深松機具的設計，提高深松作業(yè)的質量和效率。通過調整深松鏟的結構和作業(yè)參數，可以合理控制土壤的應力應變分布，減少土壤的過度變形和破壞，實現更好的深松效果。五、模型驗證與試驗研究5.1試驗設計與實施5.1.1試驗目的與方案本試驗的核心目的在于對基于離散元方法構建的深松土壤擾動模型的準確性進行驗證，通過實際試驗數據與模型模擬結果的對比分析，評估模型在預測深松過程中土壤擾動行為方面的可靠性，為模型的進一步優(yōu)化和實際應用提供堅實依據。試驗方案涵蓋多個關鍵要素。在試驗設備方面，選用型號為[具體型號]的深松機作為作業(yè)機具，該深松機具備良好的穩(wěn)定性和可調節(jié)性，能夠滿足不同工況下的深松作業(yè)需求。以自行研制的玻璃土槽試驗臺作為試驗土槽和工作平臺，其尺寸為長[X]m、寬[Y]m、高[Z]m，玻璃材質的土槽便于觀察土壤在深松過程中的動態(tài)行為。土壤條件上，選擇當地具有代表性的壤土作為試驗土壤，其質地適中，既具有一定的粘結性，又具備較好的通氣性和透水性，能夠較好地反映實際農業(yè)生產中的土壤狀況。在試驗前，對土壤進行預處理，使其初始含水率保持在18%左右，密度控制在1.3g/cm3，以確保土壤條件的一致性。深松機具參數設置為試驗的重要內容。設置深松深度分別為20cm、25cm、30cm，以探究不同深松深度對土壤擾動的影響；作業(yè)速度設定為0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s，分析速度變化對土壤擾動特性的作用。針對深松鏟的結構參數，設置鏟間距為30cm、40cm、50cm，前后鏟距為20cm、30cm、40cm，分層高度為10cm、15cm、20cm，全面研究鏟具結構參數對土壤擾動行為的影響規(guī)律。測量指標方面，運用高速攝像和數碼相機采集深松鏟作用下不同時間土壤的動態(tài)行為變化過程，通過圖像分析軟件對土壤顆粒的運動軌跡、位移、速度等進行測量和分析。使用高精度石英壓電式三向力傳感器和多通道電荷放大器測量土壤對深松鏟的動態(tài)作用力，包括水平力、垂直力和側向力，以了解深松過程中土壤與機具之間的力學相互作用。采用土壤硬度計在深松前后對不同位置的土壤硬度進行測量，對比分析土壤硬度的變化情況，評估土壤的疏松程度。利用位移傳感器測量深松鏟在作業(yè)過程中的位移和振動情況，為分析深松機具的工作穩(wěn)定性提供數據支持。通過這些多維度的測量指標，全面、準確地獲取深松過程中土壤擾動的相關信息，為模型驗證提供豐富的數據基礎。5.1.2試驗設備與材料試驗所需的設備和材料是保證試驗順利進行和獲取準確數據的關鍵。深松機具選用的[具體型號]深松機，其結構設計合理，能夠有效地實現土壤深松作業(yè)。深松機的深松鏟采用高強度合金鋼制造，具有良好的耐磨性和抗沖擊性，能夠在復雜的土壤條件下正常工作。深松機配備了可調節(jié)的懸掛裝置，能夠根據不同的作業(yè)要求調整深松深度和角度。通過調整懸掛裝置的液壓系統(tǒng)，可以精確控制深松鏟的入土深度，確保深松作業(yè)的一致性。土槽采用自行研制的玻璃土槽試驗臺，其尺寸經過精心設計，能夠滿足不同工況下的試驗需求。玻璃土槽的四壁采用高強度玻璃制成，透明度高，便于觀察土壤在深松過程中的動態(tài)行為。土槽底部設置了排水系統(tǒng)，能夠及時排除土壤中的水分，避免水分對試驗結果的影響。土槽內部鋪設了一層厚度為[X]cm的砂墊層，以模擬實際土壤的底層條件。測量儀器包括高速攝影儀、土壤硬度計、位移傳感器等，它們各自具備獨特的功能和精度，能夠準確測量試驗中的各項指標。高速攝影儀選用[具體型號]，其幀率可達[X]fps，分辨率為[X]×[X]像素，能夠清晰地捕捉深松鏟作用下土壤顆粒的瞬間運動狀態(tài)。通過高速攝影儀拍攝的視頻，利用專業(yè)的圖像分析軟件，可以精確測量土壤顆粒的運動軌跡、速度和加速度等參數。土壤硬度計采用[具體型號]，其測量范圍為0-1000kPa，精度為±5kPa，能夠準確測量土壤的硬度變化。在深松前后，使用土壤硬度計在不同位置對土壤硬度進行測量，通過對比分析硬度數據，評估土壤的疏松程度。位移傳感器選用[具體型號]，其測量精度可達±0.1mm，能夠實時測量深松鏟在作業(yè)過程中的位移和振動情況。將位移傳感器安裝在深松鏟的關鍵部位，通過數據采集系統(tǒng)將測量數據傳輸到計算機中，為分析深松機具的工作穩(wěn)定性提供數據支持。試驗用土壤為當地具有代表性的壤土，其質地適中，物理和力學性質穩(wěn)定。在試驗前，對土壤進行了詳細的檢測，確保其各項指標符合試驗要求。土壤的顆粒組成經過篩分分析，確定其砂粒、粉粒和黏粒的含量比例。通過環(huán)刀法測量土壤的密度，烘干法測定土壤的含水率，快剪法測試土壤的抗剪強度等，全面了解土壤的物理力學性質。對土壤進行了預處理，去除其中的雜物和石塊，確保土壤的均勻性。將土壤分層填入土槽中，每層厚度控制在[X]cm左右，然后進行壓實處理，使土壤的初始密度和緊實度達到試驗要求。這些試驗設備和材料的合理選擇和使用，為準確獲取深松過程中土壤擾動的相關數據提供了有力保障，為模型驗證和試驗研究奠定了堅實的基礎。5.1.3試驗步驟與過程試驗步驟與過程的嚴格把控是確保試驗數據準確性和可靠性的關鍵，本試驗按照以下詳細步驟有序進行。在土壤準備階段，首先對試驗用壤土進行預處理。將采集的土壤樣品自然風干后，用木棒輕輕碾碎，去除其中的石塊、植物殘體等雜物。采用四分法對土壤進行縮分，以保證土壤樣品的均勻性。利用孔徑為2mm的篩子對土壤進行過篩，將篩下的土壤用于試驗。為了使土壤達到設定的含水率，根據土壤的初始含水率和目標含水率，計算所需添加的水量。采用噴霧器將適量的水分均勻噴灑在土壤上，然后充分攪拌，使水分在土壤中均勻分布。將處理好的土壤裝入密封袋中，放置一段時間，讓土壤中的水分充分平衡。在土槽中分層裝填土壤，每層厚度控制在10cm左右，每裝填一層，使用平板振動器對土壤進行壓實，使土壤的密度達到1.3g/cm3。裝填完成后，將土壤表面平整，確保土壤表面水平。深松機具安裝調試過程中，將[具體型號]深松機安裝在玻璃土槽試驗臺上，調整深松機的位置，使其深松鏟位于土槽的中心線上。連接深松機與拖拉機的動力輸出軸，確保連接牢固。根據試驗方案，調整深松機的深松深度、鏟間距、前后鏟距和分層高度等參數。使用水平儀檢查深松機的水平度，如有偏差，通過調整深松機的懸掛裝置進行校準。啟動拖拉機，使深松機空轉一段時間，檢查深松機的運轉情況，確保其工作正常。數據采集是試驗的核心環(huán)節(jié)。在深松作業(yè)前，布置好高速攝影儀、土壤硬度計、位移傳感器等