将3D扫描技术与RSM（反射光谱测量）相结合，用于对不规则蛤蜊颗粒进行高精度DEM（数字高程模型）校准

《Powder Technology》：Fusing 3D scanning and RSM for high-precision DEM calibration of irregular clam particles

离散元法耦合响应面法优化蛤蜊颗粒接触参数，3D扫描构建几何模型，验证显示休止角相对误差仅1.00%，R2达0.987，揭示静摩擦与滚动摩擦非线性饱和及交互效应。

　　本研究旨在提升对不规则壳类颗粒堆积行为的模拟精度，特别聚焦于蛤蜊（Ruditapes philippinarum）这一典型的湿性生物颗粒。通过结合离散元方法（DEM）与基于响应面的接触参数校准，研究人员构建了一个高保真度的模型，以更准确地再现蛤蜊的形态特征与物理行为。为了确保模型的几何真实性，采用了多尺度的三维扫描技术，保留了蛤蜊的曲面和不规则轮廓。随后，通过对300个样本的测量数据进行Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验，结果显示模拟结果与实际测量数据之间具有良好的一致性（p > 0.05）。通过碰撞实验，研究人员获取了关键的接触参数，包括蛤蜊与蛤蜊之间的静摩擦系数、滚动摩擦系数，以及蛤蜊与不锈钢之间的静摩擦系数。这些参数的获取以休止角（Angle of Repose, AoR）作为响应变量，最终构建出一个二阶回归模型（R2 = 0.9867），该模型通过Plackett-Burman（PB）筛选、最陡上升搜索以及Box-Behnken设计（BBD）优化，揭示了静摩擦和滚动摩擦之间的非线性饱和现象及相互作用关系。

在最优参数设置（X? = 0.401，X? = 0.09，X? = 0.268）下，模拟的休止角与实验测量结果之间的相对误差仅为1.00%（均方根误差RMSE = 0.32°，R2 = 0.987），表明该方法在预测不规则颗粒堆积行为方面具有较高的精度。这一工作流程不仅实现了对不规则颗粒堆积行为的高精度预测，同时也保持了几何形态的忠实再现。所提出的“几何重建—参数测量—多阶段优化”方法具有良好的可移植性，能够支持壳类及其他湿性颗粒的加工、输送和存储设备的模拟设计与优化。

在壳类产品的收获、分类、运输和存储等工程过程中，准确表征颗粒群体的堆积与流动行为至关重要。然而，湿性、不规则的生物颗粒，如蛤蜊，其几何形态、表面湿润性和接触机制与常见的农业和工业颗粒存在显著差异。这些差异使得基于常规球体或椭球体的现有经验模型和近似方法难以可靠地外推和应用。同时，蛤蜊在全球水产养殖和渔业行业中占据重要地位。根据联合国粮农组织（FAO）最新数据，2022年全球渔业和水产养殖产量达到新高，其中蛤蜊的产量在经济双壳类中始终位居前列，无论是产量还是经济价值均表现突出。在特定地区，蛤蜊还具有重要的工业和生态影响，进一步提高了对加工设备和冷链物流系统进行定量建模的需求。

自Cundall和Strack于1979年引入离散元方法（DEM）以来，该方法已成为分析颗粒接触、碰撞和摩擦微观机制以及预测宏观堆积和流动响应的核心工具。休止角因其可重复性和工程可操作性，成为校准DEM接触参数（特别是静摩擦、滚动摩擦和恢复系数）的首选参数。大量研究表明，休止角对滚动摩擦和静摩擦具有高度敏感性，其值随着滚动阻力和静摩擦系数的增加而上升。然而，在高参数范围内，休止角可能会表现出饱和或平台效应。此外，滚动阻力模型的选择本身也可能影响校准的一致性和可移植性。这些现象为识别复杂形状颗粒的参数提供了途径，但也提醒我们在依赖单一参数时可能面临过度拟合和模型选择偏差的风险。

考虑到生物颗粒“形态—力学”之间的强耦合关系，近年来在DEM中广泛采用三维扫描和多球体聚集体或多球体网格混合几何重建方法，以提升形状保真度。这些方法旨在提高滚动阻力和接触网络的表征精度，因为受限旋转、表面曲率和局部凹凸特征会影响这些参数的准确性。系统综述和比较研究表明，通过三维激光扫描、摄影测量或CT成像获得的点云或体素数据能够在计算效率和几何真实性之间取得平衡。其中，多球体聚集体方法因其简单性和与主流接触模型的兼容性，在工程应用中被广泛采用。然而，该方法需要统计分布和代表性样本，以减少形状不确定性的传播。

鉴于多个因素和模型假设的复杂性，仅依靠试错法获取“几何准确且物理可靠”的参数集效率较低。响应面方法（RSM）提供了一种系统的方法，从显著性筛选到局部优化。该方法首先采用Plackett-Burman（PB）设计进行主效应因素的筛选，随后通过最陡上升法快速接近最优区域，最后使用Box-Behnken设计（BBD）拟合二次模型，并进行交互作用和非线性行为的诊断。这一范式在近期的DEM参数校准和多参数验证研究中表现出色，显示出良好的数据效率和稳健的拟合能力。

本研究基于上述背景，聚焦于蛤蜊，提出了一种集成的校准流程，包括“三维扫描几何重建—接触参数测量—PB筛选和最陡上升—BBD优化—休止角验证”。通过保留颗粒尺寸分布和壳体曲面的准确性，选择休止角作为响应变量。借助统计优化，研究人员识别并量化了静摩擦和滚动摩擦的主要效应、相互作用以及非线性饱和行为。最终的休止角预测精度与实验结果高度一致（实验装置和测量方法、参数范围及最优组合详见方法与结果部分）。这项研究为湿性、不规则的双壳类颗粒提供了一种可重复使用的建模和校准范式，为蛤蜊等生物颗粒的收获、分级、运输和存储设备的数字化设计和优化奠定了基础。

为了确保模型的几何真实性和代表性，研究人员从中国浙江台州市椒江区的临海永丰村采集了300个样本，并在24小时内完成所有实验，以保持生物体的活性。使用千分尺测量外部尺寸（长度、宽度、高度），其分辨率为0.01毫米。表观密度则通过水位排开法进行测量，同时记录了质量和其他相关参数。通过统计分析，研究发现所构建的蛤蜊尺寸分布与实际测量数据高度一致，K-S检验结果显示没有显著偏离正态分布（p > 0.05，D < 0.06），表明尺寸分布较为集中（见表5和图6）。模拟的尺寸分布（见图7）与实验数据匹配良好，K-S检验同样显示无显著差异（p > 0.05），进一步验证了模型的准确性。

在讨论部分，研究强调了通过DEM和RSM结合所构建的高精度颗粒模型及其校准方法的有效性。所采用的“三维扫描—参数测量—PB筛选—最陡上升—BBD优化”流程在最优设置下，使休止角预测误差控制在1%左右，在更广泛的参数范围内误差不超过5%。这一结果不仅验证了模型的建模精度，也确认了校准策略的可靠性。此外，研究还指出，该方法在处理湿性、不规则的生物颗粒时，能够有效克服传统方法在参数获取和模型构建上的局限性，为相关工程应用提供了新的思路和解决方案。

综上所述，本研究通过多学科交叉的方法，成功构建了一个高精度的蛤蜊颗粒模型，为湿性生物颗粒的模拟与优化提供了可靠的工具。该方法不仅提升了模型的几何保真度，还通过系统的参数校准，确保了模拟结果的准确性。研究成果对于提高蛤蜊等生物颗粒在加工、输送和存储过程中的效率具有重要意义，同时也为其他湿性颗粒的建模和优化提供了可借鉴的经验。未来，随着数字技术的不断发展，这一方法有望在更多领域得到应用，推动生物颗粒处理技术的智能化和高效化。