基于离散元法(DEM)的颗粒化秸秆建模与条带施用验证研究

针对秸秆还田过程中易堵塞、播种质量差的问题，研究人员通过离散元法(DEM)构建了颗粒化秸秆的双向异性粘结模型，校准了切向与法向载荷差异的接触参数，开发了机械条带施用的优化设计方法。仿真与实测偏差小于8.6%，为农业机械关键部件优化提供了技术支撑。

　　

研究背景与意义
在东北玉米主产区，秸秆粗壮、降解缓慢的特性导致免耕播种时易发生堵塞，直接影响作物产量。传统秸秆还田方式存在播种质量差、土壤改良效果滞后等问题。虽然颗粒化秸秆条带施用能加速降解并改善土壤结构，但现有离散元法(DEM)建模方法难以准确表征其切向（弯曲）与法向（压缩）力学特性的显著差异，制约了秸秆处理设备的优化设计。

中国农业科学院团队在《Biosystems Engineering》发表研究，提出一种创新的双向异性粘结模型构建方法。通过单轴压缩、三弯点测试和剪切实验量化力学差异，结合圆柱提升技术校准接触参数，最终实现颗粒化秸秆DEM模型与实测数据偏差小于5.9%，为农业机械设计提供了高精度仿真工具。

关键技术方法
研究采用数学统计分析确定秸秆颗粒尺寸分布，通过单轴压缩、三弯点弯曲和剪切试验获取载荷差异数据。利用圆柱提升法校准颗粒间接触参数，基于Box-Behnken试验设计建立粘结参数与载荷的数学模型。采用离散元法构建双向异性粘结模型，并通过机械条带施用装置进行田间验证。

研究结果

机械条带施用模式与秸秆压缩特性
设计的差速对辊式秸秆破碎装置可将秸秆粉碎至适宜长度。物理测试显示，单轴压缩最大载荷达1117.3 N（位移1.58 mm），三弯点弯曲载荷在1.08 mm位移时出现陡增，证实切向与法向力学行为存在显著各向异性。

离散元模型构建与验证
建立的DEM模型在单轴压缩和三弯点测试中，仿真与实测偏差分别为5.9%和2.4%，变形模式高度一致。田间条带施用验证显示平均偏差8.6%，准确模拟了辊式装置的秸秆破碎过程。

结论与展望
该研究首创的双向异性粘结模型解决了传统单粘结模型无法表征秸秆力学差异的难题。参数校准方法为农业材料DEM建模提供了标准化流程，机械条带施用验证表明模型可有效指导设备优化。未来可扩展至其他纤维质农业废弃物建模，推动精准农业装备研发。研究成果缩短了农机设计周期60%以上，为保护性耕作技术推广提供了关键技术支撑。