基于CTGAN的滨海盐碱地旋耕刀片多目标优化设计研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：CTGAN-based multi-objective optimization of rotary tillage blade design for coastal saline alkaline soils

本文针对滨海盐碱地高粘重板结特性下传统旋耕机耕作阻力大、效率低的问题，创新性地提出了一种融合物理约束的条件生成对抗网络（CTGAN）多目标优化方法。研究通过运动学与动力学分析，结合拉丁超立方采样（LHS）和离散元法（EDEM）模拟，构建了物理约束增强的数据生成机制，并利用LightGBM代理模型和NSGA-III算法进行优化，最终通过田间试验验证了优化方案在提升土壤破碎率（SFR≥85.39%）和降低刀轴扭矩（T=56.36 N·m）方面的有效性，为复杂工况下耕作部件的智能设计提供了新范式。

　　

Highlight

旋耕机与土壤相互作用机理分析

旋耕刀片是旋耕作业的核心工作部件，其性能受复杂的刀-土相互作用支配。作业时，拖拉机驱动机具前进，同时刀辊绕轴旋转，对土壤进行反复切割、破碎和抛掷。为了在滨海盐碱土等苛刻条件下系统优化刀片设计，有必要（i）明确基本...

LHS描述性统计

采用实验设计（LHS）和离散元建模方法，生成了包含30个旋耕刀片设计的初始样本集。该样本集覆盖了由弯曲角β、刃口曲率半径ρ、前进速度v和刀轴转速ω定义的四维设计空间。通过EDEM模拟，获得了每个参数组合对应的两个关键性能响应：土壤破碎率(SFR)和刀轴扭矩(T)。

结构参数对SFR影响的机理阐释

在SHAP主效应和交互作用分析中，弯曲角β与土壤破碎率(SFR)呈现稳定的负相关关系。这一趋势可以从盐碱土的力学特性角度进行解释。滨海重盐碱土通常具有高容重和强粘聚力，表现出显著的塑性粘结行为以及粘性与脆性响应共存的团聚体破坏模式。在此条件下，土壤...

结论

本研究聚焦滨海盐碱地实际工况，以高土壤破碎率和低扭矩为目标优化旋耕刀片设计。本文通过以下步骤完成研究：旋耕刀片机理分析 - 盐碱地离散元建模 - LHS超立方采样 - CTGAN模型改进 - 数据验证 - NSGA-III算法优化 - SHAP可解释性分析 - 田间试验，并...