离散元法在土壤动力学方面的研究

离散元法在土壤动力学方面的研究

离散元法在土壤动力学方面的研究为本文通讯作者土壤在切土部件（如推土机铲板、深松铲等）的作用下，将发生破裂和翻转移动等动态行为，这一动态过程的力学机理非常复杂。离散元法（DiscreteElementMethod，DEM）把介质看作由一系列离散的独立运动单元所组成，单元的尺寸是细观的，其运动受经典运动方程控制，整个介质的变形和演化由各单元的运动和相互位置来描述。作为一种复杂的多相混合体，耕作土壤本身具有离散性质，因此离散元法是分析外力作用下土壤动态行为变化过程的较理想方法。

1离散单元法的国外研究现状

1.1离散单元法的国外研究进展

近年来，针对土壤的静态、动态行为，国内外许多学者利用离散元法对其进行了深入研究，所涉及的研究包括土工动力学、地面车辆行驶问题、自然力对土体的作用，以及耕作土壤动力学等，并取得了重要的研究成果。

散体力学发展的一个重要方面就是对土壤动态行为变化过程的研究，从Cundal和Strack开始，对土壤动态行为变化过程的实验模拟集中应用离散元法进行模拟，以二维圆盘、矩形元和椭圆盘为颗粒模型，研究各种理想的土壤状态对挖掘机斗抓料过程的模拟，显示了离散元的应用潜力。Makanga等为了研究土壤耕作后的颗粒变化状况，采用离散元法仿真分析了在不同宽深比和倾角的深松铲柄作用下，土壤的运动状态，并根据模拟结果给出了相应的数学表达式。Asaf[1]利用离散元PFC2D软件对4种不同的切土刀进行了模拟仿真，仿真结果表明水平作用力趋势基本相同，但垂直作用力差距较大。Coetzee等用离散元法和无网格法仿真了开凿机械挖掘土壤的工作过程，结果表明离散元在土力学上的研究还有待进一步研究。

1.2接触模型的研究进展

为了使土壤颗粒之间的粘附性更接近于实际土壤，Oida等提出了一个包含粘结力的接触力学模型，颗粒间的运动是通过法向弹簧的作用得到的，当两颗粒间距离很近时产生张力，距离很远时也会产生拉力，但是发生这种相互作用的前提是两颗粒间有接触，他用此模型模拟了车轮在土壤中的运动状态。

1.3颗粒形状模型的研究进展

离散元法最开始的研究是将颗粒形状设置为二维刚性多边形和圆盘，对应的三维状态则分别为多面体和球体。

由于土壤颗粒形状的不规则性，国外很多学者采用多边形、多面体或球体等表示离散元法的颗粒模型。Lin和Ng提出了椭球模型，并将椭球体和球体进行了比较，结果指出土壤动态行为变化过程受颗粒形状的影响较大。Ting等人提出了椭圆盘颗粒形状的离散元法模型，分析了不同土壤土壤颗粒形状对切土部件工作阻力的影响。

Favier[2]等采用多个单元组合的形式来表达反对称和非球形的颗粒形状，形成了颗粒簇或颗粒凝聚体，用这种将圆盘体或球体聚集或粘结在一起的表达形式来表征土壤粘聚性的特点。Huang在其博士论文中通过尺度分析获得了无尺度的图形，对土壤颗粒粘性的表征作出了显著贡献。

1.4接触判断的研究进展

在计算某颗粒与其他颗粒的接触作用力之前，首先应查寻与该颗粒发生接触的所有颗粒和边界，该过程成为接触判断。

随着研究的进一步深入，很多学者开始研究三维离散元，为适应这一特点，Cundall提出了公共面（CommonPlane，CP）的概念，这一算法首次详细地介绍了单元间的接触判断算法.通过判断单元间的CP关系来确定单元间接触类型，以此间接地确定接触关系。

Hockney和Eastwood[3]提出了接触判断的网格单元法。所谓网格单元法，就是按固定尺寸，将整体分析空间划分成均匀的网格单元，每个颗粒都均匀的放置在网格内。对于某一个颗粒来说，判断该颗粒是否与颗粒或边界接触，只需将其所在的网格及其邻接网格内的颗粒或边界均作为该颗粒的邻居单元，只需检查该颗粒与邻接单元是否接触即可。

1.5离散元法与其他方法耦合的研究进展

为了使离散元法的优点得到发挥，近年来，很多研究人员将离散元法与其他方法耦合，这种结合技术不仅使各自的优点得到充分发挥，而且也扩展了离散元法的使用范围。比较常见的耦合方式有：离散元法与CFD法耦合、离散元法与边界元法耦合、离散元法与有限元法的耦合等。

1992年，Tsuji首次将离散元法与CFD法耦合，对解决农业工程土壤动力学问题起到至关重要的推动作用。Dowding建立了离散元与有限元耦合模型，该模型不仅考虑了土壤颗粒的不连续性，也分析了颗粒接触对整体变形的影响。Lemons开发了离散元法与边界元法耦合的半平面程序，可深入分析土层断裂导致的内部问题。Pan提出了离散元法与有限元法结合的尺度法，可针对土壤颗粒进行微观尺度模拟。

2离散元法的国内研究现状

我国针对离散元法的研究始于20世纪80年代，最初由王泳嘉在第一届全国岩石力学数值计算机模型实验讨论会上首次介绍了离散元法的基本原理及实例。

针对土壤动态行为的变化过程，国内学者也做了一些工作。徐泳等提出了土壤力学DEM仿真的基本思路。金峰等采用离散元与边界元耦合模型研究了边坡稳定性。张有天等提出了一种刚体弹簧元模型，可以很好的模拟土壤的不连续性，张锐[4]等介绍了目前地面力学研究领域中离散元法在土壤机械特性动态仿真中的应用情况，分析了离散元法在土壤动态行为仿真中应用的可行性，指出离散单元法应用于土壤这样的多相不连续复合体系中，以离散单元的总体行为来描述土壤动态行为具有独特的优越性，提出了离散单元法在土壤动态特征研究中的发展趋势和近期需要解决的关键问题。

3展望

离散元在土壤动力学方面的研究还处于初级阶段，由于土壤构复杂，目前还有很多问题没有定论，特别是国内，对离散元在土壤动力学方面的研究报道非常少。国外对离散元在土壤动力学方面的研究已有