由于气候变化、过度放牧和管理不善，全球近一半的草原受到退化的影响[1]。机械干预措施，如切割根系[2,3]、施肥[4,5]和重新播种[6,7]，对于缓解这种退化至关重要。理解土壤与耕作工具之间的相互作用对于设计高效的农业设备以减轻草原退化至关重要[8,9]。研究土壤-工具相互作用的传统方法包括实验方法、分析方法和数值方法。实验方法虽然信息丰富，但常常受到特定地点和环境条件的限制。另一方面，分析方法依赖于可能无法准确反映实际条件的简化假设。
先进计算机技术的出现使得数值方法（特别是离散元方法（DEM）[10]得以应用，用于研究土壤动力学和工具性能[9]。DEM特别适合模拟离散体（如土壤颗粒）的行为，并已在许多研究中成功应用于模拟土壤-工具相互作用[11,12]。
例如，DEM已被用于模拟深耕工具与土壤之间的相互作用[13]，[14]，[15]，为优化工具几何形状和操作参数以减少土壤扰动和能耗提供了见解。还有研究应用DEM评估水稻种植中开沟器的性能[16]，比较了不同工具的结构设计及其对土壤和根系相互作用的影响。这些研究突显了DEM在预测各种条件下的土壤扰动和工具阻力方面的多功能性和有效性。
在根土复合体建模中，结合模型[17]是一种数值模拟技术，通过将土壤颗粒等视为结合实体来表示它们之间的粘聚力，直到达到一定的力阈值。该模型在农业工程中广泛用于提高涉及土壤力学的模拟精度[20,21]。对于犁和耙等耕作工具[21,22]，结合模型有助于理解土壤破坏和能量需求，从而优化工具设计以提高性能和效率。在播种机和种植机[23]，[24]，[25]，[26]，[27]中，结合模型模拟土壤与播种机制之间的相互作用，确保种子准确放置和最小化土壤扰动，这对种子发芽和作物产量至关重要。此外，在根土复合体[28]，[29]，[30]，[31]的背景下，结合模型对于模拟土壤颗粒与根系之间的粘聚力非常宝贵，能够准确预测耕作过程中土壤颗粒和根系相互作用的行为。这对于设计既能最小化根系损伤又能有效准备土壤的工具至关重要。结合模型还应用于研究深耕机与土壤[32]、旋耕机[32]和宽切割刀片[32]之间的相互作用，为各种农业应用提供了优化工具设计和操作的宝贵见解。通过准确模拟粘聚力，结合模型有助于预测土壤颗粒在各种条件下的相互作用，这对于设计有效的土壤接触工具至关重要。
关于开沟器设计，传统的开沟器（如圆盘开沟器和凿形开沟器[32,33]）由于使用方便、成本效益高以及在各种土壤条件下都能正常工作而得到广泛应用。然而，它们也存在明显的缺点，如造成过度土壤扰动、能耗较高以及在压实土壤中穿透力不足[33]。
鉴于这些局限性，本研究提出了开沟滑动刀片作为一种替代方案。这种开沟器旨在在有效穿透土壤和切割根系的同时，尽量减少土壤扰动和能耗。这些干预措施的效果在很大程度上取决于像开沟滑动刀片这样的土壤接触工具的设计。改进这些刀片的设计可以显著提高机械处理的效率，减少根系损伤并保持土壤结构。通过这样做，本文旨在详细探讨如何改进这些工具以提高其效率和效果，最终促进更可持续的草原管理实践。
本文的结构如下：第2节详细介绍了所使用的材料和方法，包括实验设置、DEM建模、校准程序以及优化滑动刀片开沟器的实验方法设计。第3节获得了优化后的刀片，并通过数值和实验方法比较了这些刀片的性能。第4节阐明了优化开沟器降低开启阻力和减少土壤扰动的原因，并提出了建议。
