基于生物力学与结构特性的棉花秸秆有限元-离散元（FDEM）复合模型构建及其断裂机制研究

本研究创新性地采用有限元-离散元耦合方法（FDEM）结合零厚度内聚单元，构建了棉花秸秆的多尺度数值模型，精准模拟了其力学特性、力传递及损伤演化过程，为滴灌带回收中的秸秆切割机制研究提供了突破性技术方案。

　　

Highlight

基于力学测试实验，棉花秸秆（CS）可划分为三部分：14.5%基部、56.2%中部和29.3%顶部，各部位承载不同剪切强度：基部以木质部主导，表现出强抗压和抗剪切性；顶部表现出更大延展性和抗拉强度；而中部则呈现过渡特性。

Material and methods

实验材料为新疆棉塔河2号品种，于2024年10月采自新疆阿拉尔市十五团地区（81°18′31″E, 40°29′21″N）。从样本中随机选取20根棉花秸秆进行含水率测试，结果显示个体样本含水率波动 around 55%，平均含水率为57.65%，植株高度范围850–1100 mm，基部直径范围8.15–12.30 mm。

Mechanical properties and structural composition of CS

目前，棉花秸秆的结构分析缺乏统一研究方法，因其在不同成熟阶段的力学特性存在显著差异（Zhao et al., 2023）。本研究通过径向压缩试验阐明棉花秸秆的力学行为，为结构边界划分提供数据支持。

图8(a)展示了五组样本在不同位置径向压缩下的受力变化曲线。从图中可见，以基部样本为例，其抗压强度显著高于顶部，而中部样本则表现出跳跃点，这些跳跃点的平均值位于棉花秸秆长度的14.5%（基部）、56.2%（中部）和29.3%（顶部）。

Conclusion

本研究分析了棉花秸秆不同区域的力学特性和结构组成，采用FDEM技术结合内聚单元方法开发了数值模型，并通过随机抽样验证了模型准确性。主要发现如下：

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  基于力学试验，棉花秸秆可划分为14.5%基部、56.2%中部和29.3%顶部三部分，各部位承载不同剪切强度：基部以木质部主导，抗压和抗剪切性强；顶部延展性和抗拉性突出；中部为过渡区域。
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  所构建的复合模型准确复现了棉花秸秆的力学特性、力传递和损伤演化过程。
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  随机抽样模拟与实验验证的Spearman相关系数分别达到0.9998（基部）和0.9207（顶部）。