小麦-玉米轮作秸秆条件下基于粘弹塑性粘结DEM-FEM混合校准模拟的免耕旋耕刀优化研究

《Scientific Reports》：Viscoelastoplastic bonded DEM–FEM simulation with hybrid calibration for optimized no-till rotary blades under wheat–maize rotation stubble conditions

　　

摘要

传统的刚体离散元方法（DEM）模型无法准确描述机械载荷下小麦秸秆的黏弹性塑性变形和断裂行为。为克服这一缺陷，本研究结合Hertz-Mindlin-Bonding V2模型和JKR黏聚力理论，建立了键合黏弹性塑性DEM框架。通过系统化的实验室测试，量化了小麦秸秆的力学与界面特性，测得的抗拉强度、剪切强度和剪切模量分别为4.82×10⁶ Pa、4.72×10⁶ Pa和1.0×10⁷ Pa。进一步开展碰撞、摩擦和拔出试验，获取了秸秆-秸秆、秸秆-钢和秸秆-土壤接触对的相互作用参数。采用结合最速上升法、Box-Behnken设计和响应面法的混合标定策略，优化了关键键合参数：临界法向应力为3.10×10¹⁰ Pa、临界切向应力为3.01×10⁶ Pa、键合半径为0.77 mm。标定后的模型在剪切力预测中的相对误差仅为3.4%。通过土箱试验和河南省田间试验对耦合DEM-FEM模型进行了验证。在土箱试验中，刀轴扭矩和播种带秸秆清除率的相对误差分别为4.27%和2.74%，模拟值分别为130.97 N·m和72.34%，实测值分别为136.81 N·m和70.41%。田间试验的平均刀轴扭矩为167.32 N·m，播种带秸秆清除率为78.34%，与数值模拟及土箱试验结果具有良好的一致性。所提出的可变形秸秆模型有效提高了DEM在免耕播种场景中的预测精度。本研究不仅为保护性耕作机械的结构优化与节能参数设计提供了理论基础和可靠的技术工具，也为黄淮海农业区秸秆残留引起的作业难题提供了切实可行的解决方案。