种沟土壤-种子-覆土装置互作离散元模型建立与验证

卢 琦 刘芳建 刘立晶 刘忠军 刘云强

(1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司, 北京 100083; 2.农业装备技术全国重点实验室, 北京 100083)

0 引言

覆土装置作为播种机的重要组成部分,对播种机作业质量有重要影响。覆土装置作为触土部件直接参与土壤耕作,其作业性能与土壤质地有关。双圆盘开沟器作业过程伴随着限深轮对种沟两侧土壤的压实,造成种沟土壤流动性变差,传统V形覆土镇压装置作业时,可能只将种沟上层表土闭合,种沟内种子与土壤接触不良,造成种子“架空”,严重时种沟土壤不能闭合,造成“晾种”,影响种子发芽和出苗质量。黏土条件下,此种现象尤为突出。此外,覆土过程覆土厚度及种沟土流运动会影响种子播深和位置的变化,降低播种质量[1-3]。因此在研究开发新的覆土装置时,应系统考虑种沟土壤、种子、覆土装置之间的互作关系。

传统的土槽、田间试验等方法只能分析土壤宏观扰动状况,很难从微观的角度去剖析运动规律[4]。离散元法是一种用于模拟并分析散体介质系统动力学行为的数值方法[5]。研究表明,该方法在用于土壤与触土部件互作关系研究时,仿真结果与实际情况高度一致[6-7]。其模拟仿真的可信度在很大程度上取决于选用接触模型和设定的仿真参数[8]。由于土壤的复杂性与多样性,目前尚未有一种准确的数学模型能替代所有类型土壤的本构模型[9]。因此在基于离散元法开展种沟土壤-种子-覆土装置互作机理研究时,应对种沟土壤与种子、种沟土壤与覆土装置间的仿真参数进行标定,以达到接近真实作业的目的。

目前,国内外学者基于离散元法对不同土壤类型参数标定开展了一系列研究。张锐等[10]选用Hertz—Mindlin接触模型,对沙土颗粒的离散元模型参数进行了标定。王宪良等[11]以华北麦玉两熟区免耕壤土为研究对象,基于The Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion(EEPA)非线性弹塑性接触模型标定了常年免耕农田土壤离散元仿真模型参数。文献[12-15]选用Hertz-Mindlin with JKR 接触模型,基于堆积试验分别对南方地区砂壤土、黏壤土、壤土、西南区坡耕地紫色土壤的离散元模型参数进行了标定。李俊伟等[9]选用Hertz-Mindlin with JKR模型标定了不同含水率的黏重黑土离散元仿真参数。

在土壤与触土部件的离散元仿真参数标定方面,AIKINS等[16]整合Hysteretic Spring模型和Linear Cohesion模型对粘性土壤的离散元参数进行了标定,开沟器性能验证试验表明仿真结果与试验结果吻合,并表现出相似的趋势。KOUSHKAKI等[17]联合Hysteretic spring 模型和Linear adhesion/cohesion模型以不同前进速度和工作深度对牵引力的影响为目标,对粘土与深松犁互作的离散元模型及参数进行了标定和验证。ZENG等[18]建立土壤-机具-秸秆残茬相互作用的离散元仿真模型,以4种不同的铲进行了土槽试验,以土壤切削力、土壤和秸秆残茬的位移以及秸秆残茬的覆盖率为指标验证了模型的准确性。丁启朔等[19]利用Hertz-Mindlin with Bonding模型建立了黏性水稻土的机械深松耕作离散元模型。孙景彬等[20]选用Hertz-Mindlin with JKR对黄土高原坡地土壤进行了仿真参数标定,并通过坡地旋耕试验验证了模型参数的有效性。石林榕等[21]整合延迟弹性模型和线性内聚力模型,标定了6种不同含水率的西北旱区农田土壤仿真参数,建立了直插穴播鸭嘴-土壤互作仿真模型,并通过鸭嘴插入阻力曲线验证了仿真模型和参数的可靠性。

在种子离散元仿真参数标定方面,主要研究集中在种子与种子之间、种子与排种器材料之间的接触参数标定,种子与土壤互作模型离散元标定方面,研究较少。文献[22-23]通过碰撞试验研究了大豆种子与松散土壤的离散元参数,闫东旭[24]通过堆积角试验标定了大豆种子与未经扰动土壤间的离散元参数。

综上所述,目前多数研究为单一系统或土壤-机器、种子-机器互作系统,系统考虑土壤-种子-机器之间互作关系的离散元模型研究相对较少。此外,上述研究虽对不同土壤类型进行了离散元参数标定,但所研究的土壤都处于自然粘结状态,而种沟土壤是经过播种机开沟器耕作、限深轮压实的土壤,上述的模型和参数已不再适用于种沟土壤的建模和仿真。基于此,本文根据种沟土壤特点,选用Hertz-Mindlin with Bonding模型对种沟土壤进行仿真参数标定,建立播种机覆土装置与种沟土壤的互作模型,选用Hertz-Mindlin(no slip)模型,对种沟土壤与种子互作参数进行标定,最终建立种沟土壤-种子-覆土装置三者互作离散元模型,并对仿真参数进行试验验证,以期为覆土装置工作原理及覆土过程土壤、种子微观运动的研究提供基础。

1 种沟土壤-覆土装置互作离散元仿真参数标定

1.1 接触模型选取

离散元法中Hertze-Mindlin接触模型只考虑了颗粒的弹性形变,不涉及颗粒间的粘结力[4],常用于粘性较小的土壤,如沙土。Hysteretic spring接触模型当外力未达到预先设定的应力强度时,颗粒间执行线弹性方程,当颗粒接触面的总应力超过设定的应力时,颗粒间执行塑性方程[21],不符合土壤弹塑性的特点。Hertz-Mindlin with JKR 模型考虑了土壤颗粒间的弹性特征和粘结力,适用于有一定湿度的土壤,但不适用于被压实的土壤。Hertz-Mindlin with Bonding接触模型常用来模拟粘结颗粒,颗粒间通过Bond键固定在一起,可代替土壤颗粒间的液桥,承受一定的力和力矩,当Bond键形变产生的力或力矩达到一定程度时,粘结键断裂,粘结颗粒互相分开发生破碎后,Bond键不再重组,该模型可以很好地表达黏性土壤的破碎过程[19,25-26]。本文研究的种沟土壤是经播种机限深轮压实后,经覆土装置切碎、转移,完成种沟闭合的黏土,因而选取Hertz-Mindlin with Bonding模型为种沟土壤离散元仿真模型。

种沟土壤与覆土装置之间的接触模型选取Hertz-Mindlin(no slip)模型[20,27]。

1.2 本征参数测定

基于离散元法进行土壤与触土部件仿真研究时,需设置材料的本征参数、接触参数、接触模型参数。其中,土壤颗粒本征参数包括颗粒形状尺寸、密度、含水率等物理参数和泊松比、剪切模量等力学参数,一般可通过试验或查阅文献获得。

土壤样品选自中国农业机械化科学研究院集团有限公司农业装备技术全国重点实验室土槽实验室的土壤,试验装置为团队自主研发的QXDYB型电驱播种单体(图1a),测试时在不安装播种单体覆土镇压装置的情况下,根据农艺要求,调整限深轮高度,控制播种深度为5 cm,进行开沟作业,取开沟器切开后经限深轮压实、限深轮正下方的土壤为种沟土壤,种沟土壤制备过程如图1所示。为建立仿真模型,取种沟两侧深度为0～15 cm的土壤样品,采用干燥法测得土壤密度为1.68×103kg/m3,平均含水率为(15.7±0.25)%。

图1 种沟土壤制备过程Fig.1 Preparation process of seed furrow soil1.破茬圆盘 2.六分力测试系统 3.机架 4.台车 5.悬挂装置 6.下压力油缸 7.种箱 8.排种器 9.播深调节装置 10.限深轮 11.刮土板 12.导种管 13.双圆盘开沟器

通过BT-9300ST型激光粒度分布仪对土壤的颗粒粒度分布进行分析,不同粒径土壤分布占比如图2所示,土壤样品中砂粒(0.02～2 mm)占22.54%,粉粒(0.002～0.02 mm)占29.22%,黏粒(0～0.002 mm)占48.24%,根据国际制土壤质地分类标准,本试验所用土壤为黏土。

图2 土壤粒径分布Fig.2 Soil particle size distribution

采用ZJ型应变控制式直剪仪测得试验土壤的内摩擦角φ=17.5°,根据材料力学中广义胡克定律可推导求得土壤侧压力系数与泊松比ν的相互关系[20-21],计算式为

(1)

其中

K0=1-sinφ

(2)

式中K0——侧压力系数

经计算确定泊松比ν=0.41。根据文献设定试验土壤的剪切模量为1×106Pa[9,20,28]。

覆土装置的材料选用65Mn,经查阅文献获得。综合可得离散元仿真的本征参数如表1所示。

表1 材料本征参数Tab.1 Material intrinsic parameters

1.3 覆土装置作业阻力测定

试验在中国农业机械化科学研究院集团有限公司农业装备技术全国重点实验室土槽试验台上进行。试验前,通过人工制备土壤条件,包括旋耕、洒水、静置、压实等作业,洒水后静置24 h,以保证试验土壤含水率均匀。种沟土壤制备方法及土壤条件同1.2节。

阻力测定时,将覆土装置通过连接架与六分力测试系统通过三点悬挂装置挂接在土槽台车上,如图3a所示。通过调节横移电机使得两覆土盘的中心位于种沟中心,通过升降电机调节覆土装置的入土深度。试验时,通过操作土槽控制台上的计算机设定台车速度,将六分力测试系统测得的覆土作业土壤牵引阻力实时存储在计算机上,采样频率为10 Hz。试验重复3次,取牵引阻力稳定阶段平均值为实测值,试验结果如图3b所示。

图3 土槽试验过程及结果Fig.3 Soil bin test and results1.台车 2.六分力测试系统 3.连接架 4.覆土装置

经测定,当前进速度为8 km/h,覆土盘入土深度为70 mm,覆土盘安装间距为220 mm,覆土盘与竖直面的安装倾角为12°时,覆土装置受到土壤平均牵引阻力为112.63 N。

1.4 接触参数和模型参数标定

材料接触参数包括土壤颗粒间以及土壤颗粒与覆土装置材料间的恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数6个参数。现有的土壤接触参数标定往往基于土壤的堆积试验获得,而堆积试验一般是由松散的颗粒物料在堆积过程中受到重力和摩擦力影响形成[31]。而本文研究的种沟土壤应视为土粒群相互粘结的紧实整体,已无法采用堆积试验直接标定材料接触参数。

选用的Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中的粘结参数主要有法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力及粘结半径共5个。其中,前面4个参数反映颗粒之间的粘性,为了减少标定参数的个数,根据文献[25,32-34]可知,该模型下颗粒行为对粘结刚度参数变化不敏感,取土壤粘结法向刚度为1×108N/m3、切向刚度为5×107N/m3。而临界应力是判断粘结键是否断裂的重要指标,其取值与粘结强度密切相关,将直接影响仿真中土壤的破碎程度及作业阻力,本文选择通过仿真试验标定获得。颗粒粘结半径Rb则可以反映湿颗粒含水率,在颗粒半径一定的情况下,湿颗粒的粘结半径Rb可根据材料密度、含水率计算得到[34],计算式为

(3)

(4)

(5)

式中ω——土壤含水率,取15%

ρ1——土壤密度,kg/m3

ρ2——水分密度,取1 000 kg/m3

V1——土壤颗粒所占体积,m3

V2——水分所占体积,m3

R——颗粒半径,取5 mm

经计算得到Rb=5.45 mm。

综合以上分析,本文选用仿真试验逼近的方式对材料接触参数和模型参数中未能确定的8个参数进行标定。具体方法是在EDEM软件中建立土壤与覆土装置互作的仿真模型,首先通过Plackett-Burman试验,以牵引阻力为响应值,筛选出对牵引阻力影响敏感的参数;其次以覆土装置田间试验牵引阻力实测值为目标值,通过对比相同作业条件下仿真值与实测值的相对误差,通过最陡爬坡试验确定各敏感参数的取值范围;最后通过Box-Behnken试验选出各参数的最优组合,并通过田间试验验证仿真模型和参数的可信度。

1.4.1种沟土壤与覆土装置互作模型建立

根据播种机实际作业情况,建立尺寸(长×宽×高)为1 000 mm×450 mm×150 mm的虚拟土槽。选用球形颗粒模拟田间土壤颗粒,离散元仿真中颗粒尺寸减小会导致仿真运行时间呈几何级数增长[35],综合考虑计算机性能和仿真精度,本文选取土壤颗粒半径为5 mm[36-37]。

根据种沟土壤制备过程,建立种沟土壤模型,如图4所示,种沟上表面宽度为42 mm,种沟深度为50 mm,开沟器安装倾角为7°。

图4 种沟土壤模型Fig.4 Model of seed furrow soil

利用SolidWorks软件对覆土装置结构按1∶1的比例建立3D模型,保存成.STEP格式后导入EDEM软件,为了缩短仿真计算时间,在不影响计算结果的前提下,删除不参与土壤耕作的附属零件,只保留左、右覆土盘进行仿真计算,左覆土盘结构及参数如图5所示,其中盘面直径D=400 mm,安装盘面直径d=100 mm,球面半径RS=504 mm,右覆土盘结构与参数同左覆土盘。

图5 左覆土盘结构图Fig.5 Structural drawings of left cover plate

EDEM仿真时,覆土盘的运动参数设置同1.3节。仿真模型及过程如图6所示。

图6 种沟土壤与覆土装置互作模型Fig.6 Interaction model of seed furrow soil and covering device

1.4.2Plackett-Burman试验

根据现有学者研究成果,综合分析后,确定了待标定参数的取值范围,应用Design-Expert软件进行Plackett-Burman筛选试验,以牵引阻力Y为响应值,筛选出对阻力影响显著的参数。试验因素及水平如表2所示,Plackett-Burman试验设计及结果如表3所示,X1～X8分别为各因素的编码值。

表2 Plackett-Burman 试验因素及水平Tab.2 Factors and levels of Plackett-Burman test

表3 Plackett-Burman 试验设计及结果Tab.3 Design and results of Plackett-Burman test

用Design-Expert进行方差分析,得到各个参数的影响效果,试验参数显著性分析如表4所示。由表4可知,对覆土装置牵引阻力影响的贡献度由大到小排序依次为X5、X3、X7、X8、X6、X1、X2、X4;由P值可知,X5、X3、X7、X8对牵引阻力影响显著,X6、X1、X2、X4对牵引阻力影响不显著。综合分析,选用x5、x3、x7、x84个参数开展最陡爬坡试验,其他4个参数x6、x1、x2、x4分别取其中间值进行仿真试验,即x6、x1、x2、x4分别取值为0.125、0.55、0.8、0.45。

表4 Plackett-Burman 试验参数显著性分析Tab.4 Significance analysis of Plackett-Burman test parameters

1.4.3最陡爬坡试验

基于Plackett-Burman试验结果,筛选出x3、x5、x7、x8共4个显著性影响参数,选取x3、x5、x7、x8初值分别为0.05、0.3、10 kPa、10 kPa,步长分别为0.05、0.1、8 kPa、8 kPa开展最陡爬坡试验,以覆土装置田间作业牵引阻力112.63 N为实测值,与仿真结果进行对比,进一步寻找各参数范围。试验方案及结果如表5所示。

表5 最陡爬坡试验方案及结果Tab.5 Steepest ascent test program and results

由表5可知,2号试验的阻力误差最小,为7.16%。因此基于最陡爬坡试验结果确定2号试验中的各个参数作为后期试验的中心点,1号、3号试验参数为低水平和高水平,开展Box-Behnken试验,找出最优参数组合。

1.4.4Box-Behnken 试验

利用Design-Expert进行四因素三水平响应曲面试验设计,共进行29组仿真试验,试验设计方案与结果如表6所示。方差分析结果如表7所示。

表6 Box-Behnken 试验设计方案及结果Tab.6 Design and results of Box-Behnken test

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis

对试验数据进行多元回归拟合,可得到因素编码值X3、X5、X7、X8表示的牵引阻力Y二阶回归方程为

(6)

1.4.5参数优化与仿真验证

利用Design-Expert软件中的优化模块,以覆土作业牵引阻力实测值112.63 N为目标值进行求解,得到与实测值相近的一组解为:土壤-土壤滚动摩擦因数x3=0.15、土壤-65Mn静摩擦因数x5=0.31、临界法向应力x7=18.45 kPa、临界切向应力x8=18.58 kPa。为了验证该组参数的可靠性,以上述参数为EDEM仿真参数,进行3组仿真试验,求得阻力平均值为111.73 N,与实测值相对误差为0.80%,表明该组仿真参数具有较高的可靠性和真实性。

2 种沟土壤与种子互作离散元参数标定

2.1 种子建模

选择绥农14号大豆种子为研究对象,经反复测量,其三轴尺寸(长、宽、厚)平均值为7.33、7.26、6.56 mm。由于大豆种子相对规则,可近似椭球体[40],采用3球填充方法,建立的大豆种子离散元模型如图7所示。

图7 大豆种子离散元模型Fig.7 Discrete element model of soybean seeds

2.2 离散元参数标定

仿真计算时大豆颗粒与大豆颗粒、大豆颗粒与种沟土壤接触模型都选用Hertz-Mindlin(no slip)接触模型[24]。目前对大豆种子离散元参数标定研究较多,大豆种子本征参数和大豆种子间的接触参数可通过测定或查阅文献得到(表8),但种沟土壤与大豆种子的接触参数需要进一步标定。具体方法是以大豆种子在种沟土壤表面的堆积角为评价指标[24],通过Box-Behnken试验,以堆积角实测为优化目标,得到最优的接触参数组合。

表8 大豆种子仿真参数Tab.8 Soybean seed simulation parameters

2.2.1实际堆积角测定

堆积角测定装置如图8a所示,主要由盛料箱、抽板、土壤盘等组成。种沟土壤制备方法及土壤条件同1.2节,将种沟土壤放置在土壤盘内,盛料箱装满大豆种子颗粒后放置在土壤盘上,移走抽板,大豆种子颗粒会流出盛料箱,并在种沟土壤上形成一个堆积角β。通过CAD软件对堆积角进行测量,试验结果如图8b所示。试验重复3次,得到平均堆积角为23.57°。

图8 堆积角测定试验Fig.8 Stacking angle measurement test1.盛料箱 2.抽板 3.土壤盘

2.2.2Box-Behnken试验

根据文献[23-24]研究成果,综合分析后,确定了待标定参数种沟土壤与大豆种子碰撞恢复系数z1、静摩擦因数z2、滚动摩擦因数z3的取值范围,各因素编码如表9所示。以堆积角仿真值为试验指标,应用Design-Expert软件设计三因素三水平正交回归试验,仿真试验中种沟土壤参数设置为前文标定参数,仿真试验过程如图9所示,试验设计方案及结果如表10所示,方差分析结果如表11所示。Z1、Z2、Z3分别为因素z1、z2、z3的编码值。

表9 堆积角仿真试验因素编码Tab.9 Stacking angle simulation test factors codes

表10 堆积角仿真试验方案及结果Tab.10 Design and results of stacking angle simulation test

表11 堆积角仿真试验方差分析Tab.11 Variance analysis of stacking angle simulation test

图9 堆积角仿真试验Fig.9 Stacking angle simulation test

对试验数据进行多元回归拟合,可得到因素编码值Z1、Z2、Z3表示的堆积角β二阶回归方程为

(7)

由表11可知,回归模型极显著(P<0.01),且失拟项不显著(P>0.05),表明该模型拟合良好,模型可信。变异系数为1.74%,决定系数R2=0.923 1,表明该试验具有较好的可靠性,拟合方程可以较好地对优化试验中各种试验结果进行预测。其中模型的Z1、Z3对堆积角β影响极显著,其余各项均不显著。对比F值可知,各因素对堆积角影响由大到小为:Z3、Z1、Z2。

2.2.3参数优化

利用Design-Expert软件中的优化模块,以2.2.1节中实测大豆种子在种沟土壤表面的堆积角β=23.57°为目标值,进行优化求解,获得种沟土壤与大豆种子接触参数最优标定组合为z1=0.57,z2=0.33,z3=0.08,即种沟土壤与大豆种子碰撞恢复系数为0.57、静摩擦因数为0.33、滚动摩擦因数为0.08。

3 种沟土壤-种子-覆土装置互作离散元模型建立与验证

3.1 种沟土壤-种子-覆土装置互作离散元模型建立

根据前文对种沟土壤与覆土装置、大豆种子与土壤互作离散元参数标定结果,建立种沟土壤-种子-覆土装置三者互作的离散元模型,如图10所示。为了模型的准确性,在种沟土壤模型稳定后,在种沟内随机生成大豆种子7粒,依次记为S1～S7,结合大豆种植农艺特点,相隔两粒种子之间的间距为10 cm。

图10 种沟土壤-种子-覆土装置离散元模型Fig.10 Discrete element model of seed furrow soil-seed-covering device

3.2 验证试验

3.2.1种沟土壤-覆土装置互作离散元模型及参数验证

采用不同的土壤接触参数和模型参数建模,土壤所表现出来的宏观性质是不同的,其中表现较明显的是触土部件在土壤中运动时受到的阻力[27]。因为上文离散元仿真参数的标定是在特定的作业条件下完成,为了验证标定结果是否具有普遍性和真实性,采用自主设计的覆土装置进行覆土作业,选择不同的作业工况,对比分析覆土作业时受到牵引阻力的实测值与相同作业条件下EDEM中仿真值,以相对误差为评价指标来验证种沟土壤与覆土装置离散元参数标定的可靠性和准确性。试验条件和试验过程同1.3节,试验重复3次。

试验结果如表12所示,当覆土装置入土深度为70 mm,覆土盘安装间距为220 mm,覆土盘与竖直面安装倾角为12°,作业速度为4、6、8 km/h时,牵引阻力实测值与仿真值的相对误差分别为2.65%、3.34%、0.68%,相对误差的平均值为2.22%。结果表明种沟土壤-覆土装置互作离散元模型及参数标定准确可靠。

表12 牵引阻力试验结果Tab.12 Test result of draught force

3.2.2种沟土壤-种子互作离散元模型及参数验证

采用种沟土壤与大豆种子接触参数最优组合:碰撞恢复系数为0.57、静摩擦因数为0.33、滚动摩擦因数为0.08开展仿真验证,3次重复试验得到仿真堆积角分别为22.98°、23.94°、22.65°,均值为23.19°,标准差为0.67°,与实测堆积角23.57°相比,相对误差为1.61%,结果表明种沟土壤-种子互作离散元参数标定准确。

3.2.3种沟土壤-种子-覆土装置离散元模型验证

根据播种机和覆土装置作业性能要求,选用覆土厚度H和种子粒距变异系数CV为评价指标开展验证试验。

仿真试验结束后,利用EDEM后处理Analyst模块中Clipping功能,找出各种子的位置,利用测量工具测量种子至表层土壤的深度,即为该粒种子的覆土厚度。取种子S1～S7覆土厚度的平均值为仿真值。田间试验时,在不安装覆土装置的情况下,完成开沟作业后,将大豆种子按图10的方法依次放置在种沟内,待完成覆土作业后,取各种子位置的横断面,量取各种子的覆土厚度,取覆土厚度的平均值为实测值。

为了减少测量累积误差,分别记录种子仿真后和试验后在前进方向的位置坐标,种子粒距变异系数计算式为

(8)

其中

Li=li+1-li

(9)

(10)

式中i——种子编号,取1～6

li——第i个种子在前进方向的位置坐标,mm

Li——第i+1和第i个种子的粒距,mm

覆土厚度和粒距变异系数测量试验过程如图11、12所示。

图12 种子粒距变化测量Fig.12 Measurement of changes in seed spacing

验证试验结果如表13所示,覆土厚度仿真值与实测值分别为46.33、48.70 mm,相对误差为4.89%;粒距变异系数仿真值与实测值分别为3.59%、3.39%,相对误差为5.90%。结果表明,覆土厚度和粒距变异系数实测值和仿真值相对误差均较小,所建立的种沟土壤-种子-覆土装置三者互作离散元模型准确,可以很好地模拟播种机种沟覆土过程及覆土过程中种子运动规律。

表13 覆土作业试验结果Tab.13 Test result of soil covering operation

4 结论

(1)基于EDEM软件,建立了种沟土壤与覆土装置互作的离散元模型,选用Hertz-Mindlin with Bonding接触模型对种沟土壤进行离散元参数标定,以覆土装置作业过程牵引阻力为评价指标,优化求解得出对牵引阻力影响显著的因素:土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-65Mn静摩擦因数、临界法向应力、临界切向应力分别为0.15、0.31、18.45 kPa、18.58 kPa。该最优解下,牵引阻力仿真值与实测值相对误差平均值为2.22%。

(2)建立了种沟土壤与大豆种子互作的离散元模型,以种沟土壤与大豆种子碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为试验因素,以仿真堆积角为评价指标,优化得出种沟土壤与大豆种子碰撞恢复系数为0.57、静摩擦因数为0.33、滚动摩擦因数为0.08。该最优解下,堆积角仿真值与实测值相对误差为1.61%。

(3)建立了种沟土壤-种子-覆土装置三者互作的离散元模型,以覆土厚度和粒距变异系数为评价指标开展验证试验,得到了覆土厚度和种子粒距变异系数仿真值与实测值的相对误差分别为4.89%、5.90%。结果表明本文建立的种沟土壤-种子-覆土装置互作离散元模型真实准确。