基于Plackett-Burman试验设计与响应面法优化玉米秸秆离散元模型

朱惠斌 钱 诚 白丽珍* 李 慧 牟丹磊 李骏杰

(1.昆明理工大学 农业与食品学院，昆明 650500； 2.山东省农业机械科学研究院，济南 250010)

我国的玉米种植长期采用传统耕作模式，存在土壤有机碳含量降低、耕层厚度减小、土壤潜在生产力降低等问题[1-3]。保护性耕作具有改善土壤理化性质、增强土壤蓄水保墒能力和提高土壤微生物群落数量等显著效益[4-6]。免耕播种机是在玉米种植区进行保护性耕作的重要农机具。防堵装置是免耕播种机的核心部件，其主要作用是切断或拨离秸秆从而保证免耕播种施肥作业的顺利进行。为提高免耕播种机防堵装置的作业性能，应对其进行数值模拟，从而对防堵装置的结构进行优化改进。防堵装置数值模拟的关键点是建立可破碎的玉米秸秆模型，从而对切割或拨离秸秆的过程进行数值模拟。

目前，机械部件的数值模拟方法主要为有限元法[7-8]和离散元法[9-10]，尤其在农业机械设计与理论分析方面，如对冰草种子[11]和花生[12]进行建模，对深松铲[13]、开沟器[14]、旋耕刀[15]和排种器[16]等进行优化改进。离散元法可用于模拟免耕播种机防堵装置的作业过程，为防堵装置优化提供理论依据，如已有研究建立玉米秸秆层离散元模型[17]和小麦秸秆离散元模型[18-19]对防堵装置进行数值模拟。但上述基于Hertz-Mindlin (no slip)模型建立的秸秆离散元模型存在局限性，这些秸秆模型不会因外力而发生断裂或破坏，无法对防堵装置切割秸秆的过程进行数值模拟。为对防堵装置切割或拨离秸秆过程进行数值模拟，以Hertz-Mindlin with bonding模型为接触模型建立可破碎的玉米秸秆离散元模型。……