面向玉米垄作防堵装置的秸秆-垄体离散元法模型：基于SLBC-SCBP方法的开发与验证

《Biosystems Engineering》：A straw-ridge DEM model for maize ridge-tillage anti-blocking devices: Development and validation via the SLBC-SCBP method

　　

针对免耕垄体与结节秸秆的高保真重构需求，同时克服计算瓶颈以保障仿真效率，研究人员提出了秸秆分层粘结构建-静态压实粘结参数化（Straw Layered Bonding Construction-Static Compaction Bonding Parameterization，SLBC-SCBP）策略。首先，研究人员开发了SLBC方法用于模拟柔性结节秸秆，为解决离散元法（Discrete Element Method，DEM）建模中普遍存在的“刚柔耦合断裂”难题提供了有效范式。该方法利用椭圆积分实现粒子等距排列，并通过多指标回归模型复现断裂力学响应。在推导出的四种节点构型中，最优JB2结构将强度与连续性误差分别控制在1.35%和7.00%，有效避免了设备阻力被低估及通过率被高估的问题。其次，研究人员提出了SCBP方法用于重构免耕完整垄体。该方法遵循物理上的“先压实后调湿”顺序，通过参数更新与粘结赋值精确模拟了孔隙致密化与非线性沉降。此外，研究人员建立了双粒子放大策略，采用10 mm等效土壤粒子使整机耦合仿真成为可能，而秸秆粒子放大则使单体标定速度提升3.26倍，整机耦合验证速度提升2.82倍。验证结果表明，该模型可靠复现了高速（6-10 km h-1）避茬工况下的物理响应，平均载荷与残茬误差严格控制在6.7%以内，并精准捕捉了宏观垄体坍塌边界。本研究为结节作物与免耕垄体的建模提供了可靠范式，支撑了防堵装置的结构优化。

论文解读：面向玉米垄作防堵装置的离散元法模型开发与验证

研究背景与意义

玉米是全球广泛种植的主要粮食作物。在中国东北单季玉米区，由于积温较低，农业生产常采用垄作模式以提高土壤积温保障产量。保护性耕作（Conservation Tillage）作为全球推广的可持续农业技术，能有效减少水肥流失并提升土壤有机质。将垄作与保护性耕作结合，即在原垄上进行免耕播种，已成为该地区核心种植方式，既保障了产量又实现了土壤保护。然而，在该模式下，覆盖于垄体的大量秸秆与玉米发达的根系构成了复杂的作业环境。现有防堵装置在处理高覆盖量的秸秆时，常发生堵塞与缠绕，严重影响播种质量与机具通过性。因此，厘清防堵装置与作业环境的互作机制至关重要。离散元法（Discrete Element Method，DEM）是分析农机与离散介质互作的有效工具，但现有的秸秆与垄体建模存在显著局限：秸秆模型难以兼顾计算效率与“刚柔耦合断裂”精度，且缺乏针对秸秆结节结构的精细设计；垄体模型则普遍存在参数标定与结构构建脱节的问题，无法还原压实后的孔隙致密化特征。针对上述瓶颈，中国农业大学的研究人员在《Biosystems Engineering》发表了本研究，旨在通过开发SLBC-SCBP联合建模策略，构建高保真的秸秆-垄体模型，为防堵装置的高效定量仿真与优化提供支撑。

主要关键技术方法

研究人员首先基于东北玉米垄作农艺，明确了宽垄双行的作业场景。在建模技术上，提出了两项核心创新：一是秸秆分层粘结构建（SLBC）方法，利用椭圆积分进行粒子等距排列，设计了包含结节在内的四种节点构型，并通过多指标回归校准断裂力学响应；二是静态压实粘结参数化（SCBP）方法，遵循物理上“先压实后调湿”的顺序重构垄体，模拟孔隙变化。为实现高效仿真，建立了双粒子放大策略，分别对土壤与秸秆进行尺度升级。模型验证通过物理试验对标进行，重点关注高速避茬工况下的载荷响应与结构形变。

研究结果

Ridge-tillage staggered-row stubble-avoidance sowing mode

研究人员详细阐述了东北地区的农艺背景，明确了垄顶宽约1 m、垄高约0.15 m的宽垄双行种植模式。在此模式下，防堵装置需在秸秆覆盖的原垄上作业，这要求模型必须精确还原垄体几何与秸秆分布特征。

Internode bonding parameters

通过对影响秸秆节间力学行为的变量进行显著性检验，研究人员筛选出关键变量A、B、C进行正交试验。分析表明，这些变量对峰值力、切割功耗及切割位移具有显著影响，据此确定了优化的粘结参数组合，为后续仿真提供了精确的输入依据。

Constitutive deviation analysis in internode cutting

针对仿真中出现的“峰值力偏高、总功耗偏低”的系统偏差，研究人员对比了物理切割与仿真的断裂过程。研究发现，物理切割分为弹性变形、塑性滑移与最终断裂三个阶段，而仿真虽能捕捉表皮破裂，但在微观切削本构行为上存在简化限制。尽管如此，SLBC方法成功复现了主要的切割曲线与宏观断裂过程，验证了其在工程应用中的有效性。

Conclusions

研究结论证实，SLBC-SCBP策略成功解决了DEM建模中的刚柔耦合断裂难题。最优JB2节点结构与节间的结合有效复现了渐进式断裂响应，避免了设备阻力的低估。SCBP方法准确还原了垄体的非线性沉降。双粒子放大策略使得整机耦合仿真得以实现，其中秸秆粒子放大使标定速度提升了3.26倍。验证结果显示，模型在6-10 km h^-1的高速避茬工况下，平均载荷与残茬误差均严格控制在6.7%以内，并能精准捕捉垄体坍塌边界。

讨论与总结

研究人员指出，该研究提出的SLBC方法填补了现有DEM作物建模中针对结节结构设计的空白，通过有序排列与多指标约束，即便使用刚性粒子也实现了对宏观防堵过程中真实断裂与清理效果的准确模拟。SCBP方法则突破了传统静态建垄的局限，动态重构了免耕垄体的力学性能。这一联合策略不仅为玉米垄作防堵装置提供了高保真的仿真环境，也为其他根茎类作物及其耕作环境的离散元建模提供了可借鉴的通用范式。该研究获得国家重点研发计划（2023YFD1500401）及内蒙古自治区科技合作项目（202406）资助。作者贡献声明：Jinshuo Bi负责初稿撰写、可视化、验证及软件实施；Hongwen Li与Caiyun Lu负责方法论指导、基金获取及文稿修订；Chengkun Zhai、Dong He与Kai Zhao负责监督、软件支持及形式分析。所有作者声明不存在可能影响本研究客观性的利益冲突。