湿软土壤与固体复杂相互作用的力学响应机制及行走轮足性能优化研究

为解决湿软土壤中行走轮足与土壤相互作用力学机制不明确的问题，研究人员通过EDEM离散元模拟和力学性能测试，系统研究了固体侵入角度和土壤含水量(MC)对轮足侵入/提升性能的影响。结果表明：侵入阻力(FN)随侵入角(θ)增大而减小，土壤含水量在20% MC时出现异常阻力峰；建立了包含kc（黏聚变形模量系数）和Kφ（摩擦变形模量系数）的改进压力-沉陷模型，为湿地行走装置设计提供了新理论依据。

　　

在农业机械化进程中，湿软土壤环境一直是行走装置设计的"阿喀琉斯之踵"。传统轮式机械在稻田等场景中常陷入"越挣扎越深陷"的困境——低承载力和高压缩性导致严重打滑，效率低下。这种困境背后，是固体-土壤复杂相互作用力学理论的缺失。虽然从Bernstein(1913)的压力-沉陷模型到Bekker(1964)的经典方程，学者们不断探索土壤力学规律，但针对湿软土壤中轮足姿态动态变化的定量研究仍属空白。

为破解这一难题，江苏大学的研究团队以行走轮足为研究对象，在《Soil and Tillage Research》发表创新成果。研究团队采用"双管齐下"的策略：一方面通过万能试验机(DN-S10KN)实测不同侵入角(0°-90°)和含水量(0%-25% MC)下的力学响应，另一方面运用EDEM离散元方法揭示微观粒子运动规律。

关键方法

1. 1.

   力学测试：制备6种MC梯度的农田土壤(采样深度0-200mm)，采用100×100×2mm方形轮足，以500mm/min速度测试7种侵入/提升角度的阻力变化

2. 2.

   离散元模拟：构建200×200×200mm土壤容器，设置1mm粒径球体，模拟20% MC条件下轮足运动(80mm/s速度，2s时长)

3. 3.

   模型构建：基于Reece方程改进压力-沉陷模型，引入cosθ和sinθ项表征姿态影响

3.1 轮足-土壤侵入相互作用的力学性能

3.1.1 侵入角度影响

在固定MC下，侵入阻力呈现"角度越大越省力"的规律：0°时阻力最大(垂直压缩导致土壤位移)，90°时最小(侧向流动占主导)。当θ从0°增至90°，单位投影面积压力降低47%-63%，证实倾斜侵入可有效降低能耗。

3.1.2 含水量影响

MC变化引发"降-升-降"的阻力震荡：0%-15% MC区间阻力持续下降(水膜润滑作用)，20% MC出现反常峰值(毛细力增强粒子连接)，25% MC又回落(孔隙水饱和削弱毛细效应)。离散元显示20% MC时粒子速度场最紊乱，印证宏观阻力异常。

3.1.3 多因素交互效应

三因素方差分析显示影响力排序：侵入深度(X₃)>侵入角(X₂)>MC(X₁)。交互项X₁X₃的P<0.0001，揭示含水量与深度存在强耦合——深层湿土(>60mm)承载力反而低于干燥土壤。

3.2 提升过程力学特性

提升阻力呈现"急速冲高-缓慢回落"特征：0°角时最大阻力达143N(5% MC)，90°时降至61N。值得注意的是，20% MC土壤需要40mm位移才达峰值，是干燥土壤(12mm)的3.3倍，反映黏滞效应延缓土壤失效过程。

3.3 离散元模拟揭示微观机制

速度场分析显示：

• •

  侵入时形成"动态锥形剪切区"，θ=30°时扰动范围比0°减少38%

• •

  提升过程产生"W型扰动带"，75°角时右侧粒子速度比左侧高72%

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  20% MC土壤出现"粒子簇团"现象，解释宏观阻力峰值

4.1 力学模型创新

建立的改进模型F_N=BLcosθ·K(h-Lsinθ/2)ⁿ，首次整合姿态参数θ。拟合结果显示：干燥土壤n=2.99(k_c=4.17×10⁸)，25% MC时n降至0.76(k_c=4.13×10⁴)，预测误差<5%。

4.2 微观行为阐释

毛细力主导的"水桥效应"是20% MC阻力峰值的根源：EDEM显示此时粒子配位数比干燥状态增加21%，形成致密网络结构。而θ增大使剪切带不对称发展，右侧粒子动能比左侧高1.8倍，证实姿态调控可定向引导土壤流动。

这项研究不仅填补了湿软土壤-固体相互作用的理论空白，更提供了实用的工程设计指南：将轮足角度控制在30°-45°区间，可兼顾牵引力和能耗效率；针对20% MC的临界状态，需特殊防滑设计。课题组建立的包含k_c/K_φ参数的预测模型，为新一代水田行走装备的数字化设计奠定了理论基础。未来研究可结合田间实测数据，进一步优化模型在非均质土壤中的适用性。