关于仿生推进板与具有时空变化特性的压实粘土块之间碰撞行为的研究

《Soil and Tillage Research》：Investigation on cracking behavior of bionic propulsive slab against compacted clay clods with spatiotemporally variable properties

本文针对华南地区季节性变化和深度差异导致的黏土凝聚与压实特性变化，开发了时空演变模型，并基于此研究仿生铲板结构对土壤破碎的影响。通过实验与离散元模型模拟结合，揭示了不同湿度（12-16%）和铲板曲率对土壤破碎率的影响规律，提出多齿耦合驱动机制优化土壤破碎效果。

　　

张彪|杨新三|谭伟佳|刘广义|陈静|朱莹莹

广西大学机械工程学院，中国南宁530004

摘要

可耕地粘土的时空变异性受到季节性和层深的影响，导致压实的粘土块交替聚集，这影响了土壤在与埋藏物体相互作用时的流变性和破碎程度。为此，我们开发了一个描述压实粘土时空性质演变的模型，并在此基础上研究了沟铲板的仿生光滑凸形特征及其推进交互因素对粘土块破裂行为的影响。通过测量几何组成、粘聚性和断裂本构参数以及校准的接触参数，JKR-粘结耦合聚集模型能够有效表征压实粘土的可变流变特性。仿生齿板和异质耕作层的交互模拟和实验表明，受扰动的偏转流动和层间速度差异使得粘土块通过相互碰撞挤压和摩擦剪切而破裂。非等距导数凸阵能够产生更显著的高速逆流和速度梯度，从而最大化碰撞挤压力和迁移动能，提供足够的粘结破坏能量，实现最大的土壤破碎效果。减小铲板曲率有利于土壤的各向同性或正面穿透，从而使得破碎效果提高10.0%（每增加15°）。此外，与层深增加正相关的仿生轮廓尺度有助于过大粘土块的嵌入性破裂。研究发现，当干基含水量为12–16%时，土壤处于粘结和压实之间的中性状态，这会加剧流变扰动，从而有利于更好的破碎效果。最后，通过测量推进阻力来验证影响粘土块破裂行为的交互机制。总体而言，本文揭示了多齿耦合驱动与宏观破裂行为相关的微观动力学机制，为土壤破碎操作模式提供了指导。

引言

亚热带地区的可耕地土壤特性受到季节性降雨和强烈阳光的交替影响。在雨季，含有肥料中的阳离子和沉积有机物（如返回田间的碎叶）的高水分膜容易导致负价土壤胶体聚集（Abbaslou等人，2020年）。因此形成了具有强粘聚性和弹塑性的重粘土块。随后，在阳光照射或接近旱季时，表层粘土块由于干燥开裂和收缩而硬化成大颗粒的压实粘土块。随着耕作层深度的增加，土壤结构和性质发生变化，同时持水能力也随之提高（Qiu等人，2022年）。在季节过渡期间，田间粘土处于粘结性和压实性之间的中间状态，此时粘聚力和粒子间的结合力以不同的比例共存。为此，分别提出了Hertz-Mindlin模型、Johnson-Kendall-Roberts（JKR）模型和Bonding模型来描述这两种接触聚合现象，其中JKR表面能和Bonding参数是定义粒子间聚集和分解的关键（Liu等人，2024年；Chen等人，2024年；Zhou等人，2022年）。因此，耕作层中的异质粘土团具有时空演变特性，作为耕作工具作用的介质，它们会影响载荷施加效果。然而，迄今为止开发的大多数粘土离散元模型都受到某些物理和力学特性的限制（Liu等人，2022年；Li等人，2018年；Keller等人，2019年；Celik和Raper，2016年），这使得对混合粘聚体系变性能的表征非常不足。关于变异性混合土壤模型的时空使用条件和与含水量相关的参数选择策略也几乎空白。特别是在不同作业周期和深度下的耕作农艺实践中，当这些模型与相应的农具相互作用时，土壤承载能力和流变行为的预测可能会出现较大偏差（Li等人，2024年；Sun等人，2018年），这使得设计的土壤接触部件难以适应非结构化的农田条件并控制耕作质量。

术语表

S_c
破裂强度，kPa
ε_f
断裂应变
Φ
团块直径，mm
R_p
粒子半径，mm
R_b
粘结半径，mm
R_c
接触域半径，mm
ω
干基土壤含水量，%
E_s
表面能，J?m^?2
e_cs
土壤-钢恢复系数
μ_cs
土壤-钢静摩擦系数
f_cs
土壤-钢滚动摩擦系数e
齿槽宽度，mm
R_pmax
最大可用粒子直径，mmν
泊松比ρ
土壤样品的体积密度，kg?m^?3D_f
土壤破碎程度，%y_c
波纹齿函数y_f
函数