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（Discrete Element Method，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。

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（Common Plane，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Eastons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了一定进展，但还没有建立完全符合土壤粘结特性的接触力学模型。另外，由于土壤颗粒的复杂性，国内很多学者将单个土壤颗粒简化为圆盘形，这不仅影响计算精度，而且也不符合土壤颗粒实际形状，因次，建立符合实际土壤颗粒形状的颗粒模型是将来的一个研究方向。