CN106950132A - 一种获取耕作层土壤弹性模量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，包括以下步骤：利用TYD‑1型土壤硬度计获得土壤硬度值，根据该实测值和硬度计压缩试验的回归结果，求出硬度计锥头实际贯入深度和阻力。将土工试验得到的土壤实测参数包括密度、含水率、内聚力、内摩擦角，及根据设定的弹性模量值转化得到的剪切模量和体积模量作为材料参数，基于多物质ALE流固耦合方法建立锥头‑空气‑土壤系统动力学仿真模型进行仿真试验。通过控制单一变量法不断调整设定的弹性模量值，当仿真试验中锥头的贯入深度和阻力与实际值相接近，误差在±2％以内时，此时设定的弹性模量即为反求的弹性模量。本发明所述的反求方法可用于获取耕作层土壤的弹性模量。
Description
技术领域
本发明涉及农业工程领域，具体是一种获取耕作层土壤弹性模量的方法。
背景技术
目前，国内外许多学者对耕作层土壤的物理力学参数进行了研究，但耕作层不同深度土壤的性质存在较大的差异，表层土壤性质复杂，且对耕作层土壤进行取样，测量其物理力学参数弹性模量时，由于耕作层表层的土壤容易松散和破碎，造成取样困难，从而使耕作层土壤弹性模量难以通过物理试验直接测出，但土壤弹性模量不仅是土壤重要的物理力学参数，而且是土壤系统数值模拟仿真建模的基础。因此，需要设计一种可行有效获取耕作层土壤弹性模量的方法。
发明内容
本发明针对耕作层土壤建模材料的重要参数弹性模量难以通过物理试验直接测出的不足，提供一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，可以有效的反求出耕作层的土壤弹性模量。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，包括以下步骤：
第一步，利用TYD-1型土壤硬度计获得土壤硬度值D，根据该实测值和硬度计压缩试验的回归结果，求出硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F。
所述土壤硬度测试方法：将硬度计锥头压入所测土壤，锥头向上运动压缩弹簧，带动硬度计指针转动，指示表显示土壤硬度值D。
所述硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F的计算方法为：利用硬度计压缩试验的回归结果得到土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系；得到实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系。然后代入实测土壤硬度值D，得出实际贯入深度h和阻力F。
所述硬度计压缩试验方法为：利用WDW3100型微机控制电子式万能机对TYD-1型土壤硬度计进行压缩试验。因为试验机能够显示试验过程中土壤硬度计锥头的位移和所受到的力的值，即能够显示土壤硬度计的贯入深度h和阻力F的值；又因为试验过程中，土壤硬度计指示表能够显示硬度值D；因此土壤硬度值D、土壤硬度计的贯入深度h和阻力F三者之间就会存在对应关系，为了得到三者之间的关系，连续做20次硬度计压缩试验即可将关系式回归出来。
所述土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系为：
D＝2103.9e-0.14h........................................(1)
其中D为土壤硬度，单位N·cm-2；h为贯入深度，单位mm。
所述实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系为：
F＝-3.21h+162.96............................................(2)
其中F为贯入阻力，单位N；h为贯入深度，单位mm。
第二步，根据土工试验规程中的物理试验方法测取土壤的参数包括密度、含水率、内聚力、内摩擦角。将上述所测取的土壤参数，及根据设定的弹性模量值转化得到的剪切模量和体积模量作为材料参数，基于多物质ALE流固耦合方法建立锥头-空气-土壤系统动力学数值模拟仿真模型进行仿真试验。通过控制单一变量法不断调整设定的弹性模量值，当仿真试验中锥头的贯入深度和阻力与实际值相接近，误差在±2％以内时，此时数值模拟模型中设定的弹性模量即为反求的土壤弹性模量值。
所述土壤密度是指单位体积土的质量。
所述土壤含水率是指土中水的质量与土粒质量之比，用ω表示，以百分数计，表示为:
其中mw为土中所含水的质量，单位g；ms为土中所含土粒的质量，单位g。
所述土壤的内聚力和内摩擦角根据直剪试验，通过库伦定律公式求出，即：
其中τf为土的抗剪强度，单位kPa；σ为剪切破坏面上的法向总应力，单位kPa；c为土的内聚力，单位kPa；为土的内摩擦角，单位(°)。
所述数值模拟仿真模型，容易发生大变形，所以选择多物质ALE流固耦合方法来进行土壤弹性模量的反求。
所述数值模拟仿真模型的建模步骤为：先建立一个长方体模型，模型需要分成两部分，上部分是空气，下部分是土壤。再在模型上方建立锥头模型，构建锥头-空气-土壤系统多物质ALE流固耦合仿真模型；由于整个系统仿真模型是对称模型，为减少计算量，只建立四分之一模型；接着是对已建好的模型进行网格的划分；在土壤底部添加主约束，对称面添加其余约束；然后在锥头上施加一个与实际值相同的向下速度，模拟硬度计锥头插入土壤的过程。
所述数值模拟试验中体积模量K与土壤弹性模量E的关系为：
其中ν为泊松比，土壤的泊松比一般为0.25-0.37，在这里ν取0.3；E为土壤弹性模量，单位Pa；K为体积模量，单位Pa。
所述数值模拟试验中剪切模量G与土壤弹性模量E的关系为：
其中ν为泊松比，土壤的泊松比一般为0.25-0.37，在这里ν取0.3；E为土壤弹性模量，单位Pa；G为剪切模量，单位Pa。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
应用现有的技术，即通过土壤取样后制成圆柱土样进行三轴试验获取土壤弹性模量的方法，在耕作层土壤取样时，土壤容易松散和破碎，无法制成圆柱土样导致耕作层土壤弹性模量无法测出，而本发明不需制成圆柱土样便能够获取土壤的弹性模量值，能有效解决现有技术无法获取耕作层土壤弹性模量的难题。本发明对耕作层土壤弹性模量的获取具有重要的意义。
附图说明
图1是锥头-空气-土壤系统动力学仿真模型；
图2是四分之一锥头-空气-土壤系统动力学仿真模型；
图3是四分之一锥头-空气-土壤系统网格模型；
图4是对模型中土壤的约束示意图；
图5是数值模拟的试验过程示意图；
图6是模型中贯入阻力与贯入时间的关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
为了对比通过此发明与三轴试验得到的弹性模量，同时也避免耕作层土壤的取样困难，本实施例采用的土壤为重塑土。本实例所构建的锥头-空气-土壤系统动力学仿真模型，锥头的单元类型是Thin Shell 163壳体有限元单元，土壤和空气层的单元类型是Solid164实体有限元单元。
一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，包括如下步骤：
第一步，利用TYD-1型土壤硬度计获得土壤硬度值D。利用硬度计压缩试验的回归结果得到土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系；得到实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系。然后代入实测土壤硬度值D，得出实际贯入深度h和阻力F。
所述硬度计压缩试验方法为：利用WDW3100型微机控制电子式万能机对TYD-1型土壤硬度计进行压缩试验。因为试验机能够显示试验过程中土壤硬度计锥头的位移和所受到的力的值，即能够显示土壤硬度计的贯入深度h和阻力F的值；又因为试验过程中，土壤硬度计指示表能够显示硬度值D；这样土壤硬度值D、土壤硬度计的贯入深度h和阻力F三者之间就会存在对应关系，为了得到三者之间的关系，连续做20次硬度计压缩试验即可将关系式回归出来。
所述土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系为：
D＝2103.9e-0.14h...............................................(1)
其中D为土壤硬度，单位N·cm-2；h为贯入深度，单位mm。
所述实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系为：
F＝-3.21h+162.96..................................................(2)
其中F为贯入阻力，单位N；h为贯入深度，单位mm。
所述利用TYD-1型土壤硬度计获得土壤硬度值D为26N·cm-2。
所述硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度为31.38mm，受到的实际贯入阻力为62.23N。
第二步，根据土工试验规程中的物理试验方法测取土壤的参数包括密度、含水率、内聚力、内摩擦角。将上述所测取的土壤参数，及根据设定的弹性模量值转化得到的剪切模量和体积模量作为材料参数，利用多物质ALE流固耦合方法建立锥头-空气-土壤系统动力学数值模拟仿真模型进行仿真试验。通过控制单一变量法不断调整设定的弹性模量值，当仿真试验中锥头的贯入深度和阻力与实际值相接近，误差在±2％以内时，此时数值模拟模型中设定的弹性模量即为反求的土壤弹性模量值。
所述通过土工试验规程中的物理试验方法测得的土壤基本参数为：密度1.9473g/cm3，含水率25.57％，内聚力13.843kPa，内摩擦角3.434°。
所述初始设定的弹性模量值为0.40MPa。
所述数值模拟试验中体积模量K与土壤弹性模量E的关系为：
其中ν为泊松比，土壤的泊松比一般为0.25-0.37，在这里ν取0.3；E为土壤弹性模量，单位Pa；K为体积模量，单位Pa。
所述数值模拟试验中剪切模量G与土壤弹性模量E的关系为：
其中ν为泊松比，土壤的泊松比一般为0.25-0.37，在这里ν取0.3；E为土壤弹性模量，单位Pa；G为土壤剪切模量，单位Pa。
所述数值模拟仿真模型的建模仿真步骤为：先建立一个长方体模型，模型需要分成两部分，上部分是空气，下部分是土壤。再在模型上方建立锥头模型，构建锥头-空气-土壤系统多物质ALE流固耦合仿真模型，如图1所示；由于整个系统仿真模型是对称模型，为减少计算量，只建立四分之一模型，如图2所示；接着是对已建好的模型进行网格的划分，如图3所示；在土壤底部和对称面添加约束，如图4所示；然后在锥头上施加一个与实际值相同的向下速度，模拟硬度计锥头插入土壤的过程，如图5所示。
所述长方体模型尺寸：0.08m×0.1m×0.08m。
所述模型中锥头尺寸大小为：锥头底部半径0.01m，高0.05m。
所述实际试验时的贯入速度为0.03m/s。
利用多物质ALE流固耦合方法进行仿真模拟，模型中，在锥头上施加与实际试验时相同的贯入速度0.03m/s，贯入相同的深度31.38mm，通过控制单一变量弹性模量，经过多次试验，当弹性模量为E＝0.46MPa时，得到锥头所受到的贯入阻力曲线图，如图6所示。由图6可知，当贯入时间t＝1.044s时，贯入深度为31.38mm，与实际贯入深度相同，锥头所受贯入阻力F′1/4＝15.8N。在进行模拟试验时，我们所取的仿真模型为四分之一模型，所以整个锥头所受到的贯入阻力F′＝63.2N，而实际试验时的贯入阻力F＝62.23N，误差在±2％以内，此时的仿真模型中的弹性模量即为反求的弹性模量。
所述土壤体积模量和剪切模量所得结果为：体积模量0.3833MPa，剪切模量0.1769MPa。
所述土壤弹性模量所得结果为：弹性模量0.46MPa。
所述反求出的弹性模量通过三轴试验进行物理验证。通过室内制造的圆柱土样在TSZ全自动三轴仪上进行三轴试验，获得弹性模量E＝0.457MPa。
所述通过三轴试验求出的土壤弹性模量与反求方法得到的弹性模量对比，误差为0.65％，在±2％以内，证明反求方法所求出的土壤弹性模量是正确的，具有可行性。
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，利用TYD-1型土壤硬度计获得土壤硬度值D，根据该实测值和硬度计压缩试验的回归结果，求出硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F；
所述硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F的计算方法为：利用硬度计压缩试验的回归结果得到土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系；得到实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系，然后代入实测土壤硬度值D，得出实际贯入深度h和阻力F，
所述土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系为：
D＝2103.9e-0.14h.........................................(1)
其中D为土壤硬度，单位N·cm-2；h为贯入深度，单位mm，
所述实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系为：
F＝-3.21h+162.96.................................................(2)
其中F为贯入阻力，单位N；h为贯入深度，单位mm，
第二步，根据土工试验规程中的物理试验方法测取土壤的参数包括密度、含水率、内聚力、内摩擦角，将上述所测取的土壤参数，及根据设定的弹性模量值转化得到的剪切模量和体积模量作为材料参数，基于多物质ALE流固耦合方法建立锥头-空气-土壤系统动力学数值模拟仿真模型进行仿真试验，通过控制单一变量法不断调整设定的弹性模量值，当仿真试验中锥头的贯入深度和阻力与实际值相接近，误差在±2％以内时，此时数值模拟模型中设定的弹性模量即为反求的土壤弹性模量值。
2.根据权利要求1所述的获取耕作层土壤弹性模量的方法，其特征在于，所述硬度计压缩试验方法为：利用WDW3100型微机控制电子式万能机对TYD-1型土壤硬度计进行压缩试验，因为试验机能够显示试验过程中土壤硬度计锥头的位移和所受到的力的值，即能够显示土壤硬度计的贯入深度h和阻力F的值；又因为试验过程中，土壤硬度计指示表能够显示硬度值D；这样土壤硬度值D、土壤硬度计的贯入深度h和阻力F三者之间就会存在对应关系，为了得到三者之间的关系，连续做20次硬度计压缩试验即可将关系式回归出来。
3.根据权利要求2所述的获取耕作层土壤弹性模量的方法，其特征在于，所述数值模拟仿真模型，容易发生大变形，所以选择多物质ALE流固耦合方法来进行土壤弹性模量的反求。
4.根据权利要求2所述的获取耕作层土壤弹性模量的方法，其特征在于，所述数值模拟仿真模型的建模步骤为：先建立一个长方体模型，模型需要分成两部分，上部分是空气，下部分是土壤，再在模型上方建立锥头模型，构建锥头-空气-土壤系统多物质ALE流固耦合仿真模型；由于整个系统仿真模型是对称模型，为减少计算量，只建立四分之一模型；接着是对已建好的模型进行网格的划分；在土壤底部和对称面添加约束；然后在锥头上施加一个与实际值相同的向下速度，模拟硬度计锥头插入土壤的过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170714 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |