發布時間：2014-11-20所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 論文摘要：為了使離散元法的優點得到發揮，近年來，很多研究人員將離散元法與其他方法耦合，這種結合技術不僅使各自的優點得到充分發揮，而且也擴展了離散元法的使用范圍。 1 離散單元法的國外研究現狀 1.1離散單元法的國外研究進展 近年來，針對土壤的靜態
論文摘要：為了使離散元法的優點得到發揮，近年來，很多研究人員將離散元法與其他方法耦合，這種結合技術不僅使各自的優點得到充分發揮，而且也擴展了離散元法的使用范圍。本文選自：《土壤通報》主要刊登農業資源與環境、植物營養與施肥、土壤侵蝕與水土保持等方面的調查和試驗研究成果、專題文獻評述、國內外新技術及學術研究動向等學術論文。讀者對象為農業資源與環境、植物營養與施肥、水土保持及其相關學科的科技人員、院校師生及管理工作者。
1 離散單元法的國外研究現狀
1.1離散單元法的國外研究進展
近年來，針對土壤的靜態、動態行為，國內外許多學者利用離散元法對其進行了深入研究，所涉及的研究包括土工動力學、地面車輛行駛問題、自然力對土體的作用，以及耕作土壤動力學等，并取得了重要的研究成果。
散體力學發展的一個重要方面就是對土壤動態行為變化過程的研究，從Cundal和Strack開始，對土壤動態行為變化過程的實驗模擬集中應用離散元法進行模擬，以二維圓盤、矩形元和橢圓盤為顆粒模型，研究各種理想的土壤狀態對挖掘機斗抓料過程的模擬，顯示了離散元的應用潛力。Makanga等為了研究土壤耕作后的顆粒變化狀況，采用離散元法仿真分析了在不同寬深比和傾角的深松鏟柄作用下，土壤的運動狀態，并根據模擬結果給出了相應的數學表達式。Asaf[1]利用離散元PFC2D軟件對4種不同的切土刀進行了模擬仿真，仿真結果表明水平作用力趨勢基本相同，但垂直作用力差距較大。Coetzee等用離散元法和無網格法仿真了開鑿機械挖掘土壤的工作過程，結果表明離散元在土力學上的研究還有待進一步研究。
1.2 接觸模型的研究進展
為了使土壤顆粒之間的粘附性更接近于實際土壤，Oida等提出了一個包含粘結力的接觸力學模型，顆粒間的運動是通過法向彈簧的作用得到的，當兩顆粒間距離很近時產生張力，距離很遠時也會產生拉力，但是發生這種相互作用的前提是兩顆粒間有接觸，他用此模型模擬了車輪在土壤中的運動狀態。
1.3 顆粒形狀模型的研究進展
離散元法最開始的研究是將顆粒形狀設置為二維剛性多邊形和圓盤，對應的三維狀態則分別為多面體和球體。
由于土壤顆粒形狀的不規則性，國外很多學者采用多邊形、多面體或球體等表示離散元法的顆粒模型。Lin和Ng提出了橢球模型，并將橢球體和球體進行了比較，結果指出土壤動態行為變化過程受顆粒形狀的影響較大。Ting等人提出了橢圓盤顆粒形狀的離散元法模型，分析了不同土壤土壤顆粒形狀對切土部件工作阻力的影響。
Favier[2]等采用多個單元組合的形式來表達反對稱和非球形的顆粒形狀，形成了顆粒簇或顆粒凝聚體，用這種將圓盤體或球體聚集或粘結在一起的表達形式來表征土壤粘聚性的特點。Huang在其博士論文中通過尺度分析獲得了無尺度的圖形，對土壤顆粒粘性的表征作出了顯著貢獻。
1.4 接觸判斷的研究進展
在計算某顆粒與其他顆粒的接觸作用力之前，首先應查尋與該顆粒發生接觸的所有顆粒和邊界，該過程成為接觸判斷。
隨著研究的進一步深入，很多學者開始研究三維離散元，為適應這一特點，Cundall提出了公共面(Common Plane，CP)的概念，這一算法首次詳細地介紹了單元間的接觸判斷算法.通過判斷單元間的CP關系來確定單元間接觸類型，以此間接地確定接觸關系。
Hockney和Eastwood[3]提出了接觸判斷的網格單元法。所謂網格單元法，就是按固定尺寸，將整體分析空間劃分成均勻的網格單元，每個顆粒都均勻的放置在網格內。對于某一個顆粒來說，判斷該顆粒是否與顆�；蜻吔缃佑|，只需將其所在的網格及其鄰接網格內的顆�；蜻吔缇鳛樵擃w粒的鄰居單元，只需檢查該顆粒與鄰接單元是否接觸即可。
1.5離散元法與其他方法耦合的研究進展
為了使離散元法的優點得到發揮，近年來，很多研究人員將離散元法與其他方法耦合，這種結合技術不僅使各自的優點得到充分發揮，而且也擴展了離散元法的使用范圍。比較常見的耦合方式有：離散元法與CFD法耦合、離散元法與邊界元法耦合、離散元法與有限元法的耦合等。
1992年，Tsuji首次將離散元法與CFD法耦合，對解決農業工程土壤動力學問題起到至關重要的推動作用。Dowding建立了離散元與有限元耦合模型，該模型不僅考慮了土壤顆粒的不連續性，也分析了顆粒接觸對整體變形的影響。Lemons開發了離散元法與邊界元法耦合的半平面程序，可深入分析土層斷裂導致的內部問題。Pan提出了離散元法與有限元法結合的尺度法，可針對土壤顆粒進行微觀尺度模擬。
2 離散元法的國內研究現狀
我國針對離散元法的研究始于20世紀80年代，最初由王泳嘉在第一屆全國巖石力學數值計算機模型實驗討論會上首次介紹了離散元法的基本原理及實例。
針對土壤動態行為的變化過程，國內學者也做了一些工作。徐泳等提出了土壤力學DEM仿真的基本思路。金峰等采用離散元與邊界元耦合模型研究了邊坡穩定性。張有天等提出了一種剛體彈簧元模型，可以很好的模擬土壤的不連續性，張銳[4]等介紹了目前地面力學研究領域中離散元法在土壤機械特性動態仿真中的應用情況，分析了離散元法在土壤動態行為仿真中應用的可行性，指出離散單元法應用于土壤這樣的多相不連續復合體系中，以離散單元的總體行為來描述土壤動態行為具有獨特的優越性，提出了離散單元法在土壤動態特征研究中的發展趨勢和近期需要解決的關鍵問題。
3 展望
離散元在土壤動力學方面的研究還處于初級階段，由于土壤構復雜，目前還有很多問題沒有定論，特別是國內，對離散元在土壤動力學方面的研究報道非常少。國外對離散元在土壤動力學方面的研究已有了一定進展，但還沒有建立完全符合土壤粘結特性的接觸力學模型。另外，由于土壤顆粒的復雜性，國內很多學者將單個土壤顆粒簡化為圓盤形，這不僅影響計算精度，而且也不符合土壤顆粒實際形狀，因次，建立符合實際土壤顆粒形狀的顆粒模型是將來的一個研究方向。
參考文獻
[1]Asaf，Z.，Shmulevich，I..Soil—implement interaction using the DEM.In：Presentation at the Annual International MeetingRhode Island.Unpublished，2008.
[2]Favier JF，MHAbbaspour—Fard，M?Kremmer，et al.Shape Representation of Axi—symmetrical，Non—spherical Particles in Discrete Element Simulation using Multi—Element Model Particles，Engineering Computations：International Journal for Computer—aided Engineering and Software，1999，16(04)：467—480.
[3]RWHockney，JWEastwood.Computer Simulation Using Particles.McGraw—Hill，New York：1981.
[4]張銳，李建橋，李因武.離散元法在土壤機械特性動態仿真中的應用進展[J].農業工程學報，2003，19(01)：16—19.
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