麦−玉耕作秸秆混土还田模式下离散元参数标定

摘 要： 麦−玉一年两熟的江淮、黄淮地区秸秆混土还田保护性耕作模式，麦秸秆−土壤混合的种床缺乏准确的物料相互接触参数，阻碍了机械化玉米精密播种过程中关键部件、种粒、肥料与混合种床相互作用研究，进而制约了机具优化与改进。采用物理与EDEM 离散元方法结合研究非连续体麦秸秆−土壤混合物之间相互作用，选用Bonding V2 黏结模型搭建柔性麦秸秆段“元颗粒”，选取Hertz-Mindlin with JKR 模型对一定湿度的土壤进行参数标定。首先，以圆桶提升麦秸秆和土壤种床混合物堆积角为响应值，采用Plackett-Burman 筛选试验和最陡爬坡试验分别对显著影响因素从大到小排序和缩近最佳取值范围。利用Box-Behnken 试验构建了显著影响因素与堆积角二阶回归模型，对显著因素交互项进行响应曲面分析，利用Design-Expert 软件优化模型并以实测堆积角39.94°为目标响应值，计算得土壤JKR 表面能0.500、土壤−秸秆动摩擦系数0.065 8、土壤−秸秆JKR 表面能0.262 及土壤−土壤动摩擦系数0.155，仿真验证误差1.08%，表明标定的接触模型参数可靠。该研究可为麦−玉保护性耕作模型下混合种床与机具精密播种相互作用研究提供参考和理论依据。

关键词：麦−玉耕作；秸秆还田；混合种床；离散元；接触模型；堆积角

中图分类号：S152.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）08-0072-10

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.013

0 引言

机械化秸秆还田是保护性耕作的一项核心技术，也是秸秆资源最为直接有效利用的一种方式[1-2]。冬小麦−夏玉米作为江淮、黄淮地区一年两熟旱地作物主要耕作模式之一，前茬小麦联合收获作业后，将秸秆粉碎并全量还田覆盖地表，短时间田块秸秆晾晒，后通过旋耕机灭茬松土作业将秸秆进一步打碎均匀埋土，完成田块混茬整平[3]。这种耕作方式改变种床的物理性状，造成触土部件、种粒、肥料与混合种床的相互作用关系更加复杂，继而影响了衔接的玉米精密机播投种着床位置的不确定性。因此研究混合种床中土壤−麦秸秆相互作用规律，对改善秸秆还田下玉米精量投种着床的均匀度与整齐度具有重要意义[4-5]。

针对麦秸秆−土壤混合特性复杂的问题，采用以往试验的方法对非连续体颗粒材料间碰撞互作研究，受时节限制，试验方法费时费力，并且很难获得颗粒间实时作用力、位移和速度等参数信息，制约了堆积颗粒微观机理研究发展[6-8]。随着计算机技术的发展，近些年，研究人员采用离散元法（DEM）来研究物料颗粒之间的互作效应，通过实际测量与虚拟标定对不连续土壤、秸秆、肥料等颗粒群体复杂的运动和力学行为精准参数试验[9-11]。张锐等[12] 针对无黏沙土特性，采用Hertz-Mindlin 接触模型仿真标定了摩擦系数。考虑东北地区黏重黑土颗粒间黏结力，李俊伟等[13] 采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion 凝聚力接触模型对不同含水率的土壤进行相关参数标定。为研究机具触土部件与含湿土壤互作破碎过程功率消耗，朱浩等[14] 选取Hertz-Mindlin with Bonding（HWB）模型代替土壤颗粒间的液桥，通过Bond 键将缩放的沙壤土土壤颗粒黏结，得出旋耕刀最佳工作参数。在秸秆离散元仿真参数标定研究方面，施丽莉等[15] 用Hertz-Mindlin 无滑动接触模型构建了粉碎后水稻秸秆刚性体模型，对其抛撒过程的运动进行了实时轨迹仿真分析。廖宜涛等[16]、田辛亮[17] 以油菜和玉米秸秆为研究对象，应用Hertz-Mindlin 基本模型和圆筒提升堆积法，以堆积角为响应值，优化秸秆与边缘接触参数。钟晓康等[4] 为探究秸秆−土壤混合介质下土壤应力传递特性，采用Hertz-Mindlin无滑动模型设置由9 个半径8 mm 的颗粒堆积而成玉米秸秆刚性球柱体模型，在秸秆含量不同条件下土壤颗粒运动行为的变化规律。综上所述，对农业离散元仿真标定研究主要集中在种粒、土壤或秸秆单一材料，在材料特性主要以刚性体作为仿真研究对象，而在实际农业生产过程中对江淮地区麦−玉耕作模式下具有柔性特征的麦秸秆−土壤混合种床离散元接触研究鲜有报道。

本研究采用物理实测与虚拟仿真试验相结合的方法，对麦秸秆−土壤混合物的离散元模拟模型参数进行了精确标定，采用Bonding V2 接触模型将多个填充球茎秆单元黏结成元颗粒，构建柔性秸秆模型，并选择Hertz-Mindlin with JKR 接触模型来标定含湿土壤颗粒接触参数，以休止角为响应值，通过麦秸秆与土壤种床混合物圆筒提升试验进行参数标定，通过仿真验证和实测对比获得最优影响因素参数值，以期在前茬麦秸秆还田条件下混合种床与精密机具播种作业互作效应研究提供参数支持。

1 材料与方法

1.1 测试材料

选取江苏沿江地区农业科学研究所南通薛窑基地（32°7′N，120°37′E）麦秸秆−土壤混合物材料为研究对象，土壤pH 值约7.3，年降水量约990 mm，土壤有机质养分状况适合种植小麦、玉米和大豆等作物。

所选田块前茬小麦于2023 年6 月2 日机械化收获后秸秆粉碎覆盖还田，采用手扶式旋耕机于2023 年6月7 日对田块进行浅旋破茬松土作业，麦秸秆混入土壤10 cm 耕层，因此选用田块0～10 cm 深度混合物为研究对象。田块形状为长条形，采用等距法随机在3个田畦多点进行取样，每个取样点均为10 cm 边长的正方体混合体，将麦秸秆和土壤分离称质量，分别计算质量占比和容积密度，采用烘干法分别测量秸秆和土壤的含水率，采用比重瓶法对烘干后土壤进行颗粒密度测量，麦秸秆密度按测量参考文献[18]，种床麦秸秆−土壤混合物本征参数测量结果如表1 所示。

采用筛分法对土壤颗粒粒径进行分析，不同直径孔标准土壤筛对烘干后土壤颗粒粒径分布进行筛分，取3 次样重复，粒径占比如表2 所示，其中[0， 1] mm粒径间质量占比24.44%，粒径在（1， 3] mm 颗粒质量占比49.62%，（3， 5] mm 颗粒质量占比25.94%。

1.2 试验方法

采用圆筒提升物理试验方法和EDEM 离散元模拟试验方法相结合的方法对麦秸秆−土壤混合物参数进行标定。对秸秆和土壤颗粒进行建模，以此为种床混合物建模提供基础，分析仿真种颗粒−颗粒、颗粒−边界接触模型与参数范围， 利用Design-Expert 软件的Plackett-Burman 部分筛选出对麦秸秆−土壤休止角影响显著影响因数，并通过最陡爬坡试验缩进各参数的最佳区间，后通过Box-Behnken 试验建立显著影响因素与堆积角二阶回归模型，采用Design-Expert 软件优化模型并以实测堆积角为大小求解最优因素数值大小，反向仿真验证种床接触参数标定的正确性[19]。

1.3 麦秸秆-土壤混合物休止角物理试验

采用圆筒提升试验搭建麦秸秆−土壤种床混合物静态休止角物理测试装置，如图1 所示，采用试验台架夹爪固定长150 mm、外径70 mm、壁厚2 mm 的玻璃材质圆管，初始状态下竖直放在2 mm 厚的玻璃板（200 mm×200 mm）正中间，取用500 g 土壤，根据混合物质量占比调制好含水量的麦秸秆−土壤在圆管内，均匀提升圆管直至混合物全部落下稳定后，采用高清相机镜头面垂直于玻璃板拍照，获得麦秸秆−土壤堆积角主视图，如图1 所示。

截取混合物堆积角主视图均匀有效边缘部分图片，通过MATLAB 软件编程与调用相关库函数，对混合物堆积角依次进行灰度处理、二值化处理、canny 边缘检测和最小二乘法线性拟合步骤，如图2 所示。将混合物有效轮廓拟合成直线，进而通过AutoCAD 完成边缘线与底边线夹角，重复试验10 次，取结果平均值，得到麦秸秆−土壤混合物的休止角39.94°。

2 麦秸秆−土壤混合物休止角模拟试验

2.1 麦柔性秸秆模型建立

通过上述麦秸秆−土壤混合物秸秆的分离，秸秆形状为中空圆柱体，随机挑选112 根利用直尺进行长度测量。由图3 可知，秸秆长度不一，满足正态分布，集中于30～60 mm 长度秸秆占比超64%。因此，在仿真建模中，拟确定混料种床中秸秆长度40 mm，设定秸秆直径为均值4.34 mm[18，20]。

真实的小麦茎秆具有刚柔耦合性，刚性秸秆模型中各个颗粒位置固定，不能模拟高纤维秸秆在受力下发生弯曲变形[21]。因此，在混合种床颗粒间互作和玉米精量投种着床颗粒碰撞受力中可能带来较大误差。本研究采用“Bonding V2”接触模型更好地构建“元颗粒”仿真秸秆段，综合上述小麦秸秆形状与特征尺寸，采用半径2.17 mm 单球颗粒为秸秆单元模型，设定在颗粒工厂生成秸秆时刻发生相互粘结，为保证秸秆单位颗粒能够在创建黏结键，设定单元颗粒排列间的中心距离5.34 mm（颗粒直径），将两个颗粒的接触半径在键形成时间重叠，继而将 8 个单元颗粒沿着秸秆轴向线性填充（图4），秸秆段长度大小分布随机系数0.8～1.2，黏结半径大小按式（1）计算。