基于离散元-有限元耦合的草莓机械损伤易感性分析与抗损策略研究

本综述结合离散元法（DEM）与有限元模拟（FEM），系统量化草莓在采后环节中的机械损伤机制，确立以等效塑性应变（PEEQ=0.078）为损伤阈值，提出基于参数化仿真的减损策略与感知抓取模型优化方案，为果蔬采后品质智能调控提供理论依据。

　　

Material preparation

根据Wang等人提出的草莓成熟度分级方法，本研究选用中国贵阳丰雨果园种植的“大凉山黑珍珠”品种草莓，在果皮红色区域占比超70%时进行采收。为保障样本数据一致性，人工筛选成熟度与形态特征相近的果实。为最小化贮藏时间对机械特性的影响，所有实验均在采摘后4小时内完成。

Analysis of angle of repose calibration results

模拟完成后，沿颗粒堆积剖面左侧绘制切线（图8）。选取适当的x轴与y轴坐标增量，依据公式（19）通过余切三角函数计算休止角：

αAOR=tan?1(Δy/Δx)

其中αAOR表示坐标系中特定位置的休止角（°）；Δy为切线方向的纵坐标增量长度（mm）；Δx为横坐标增量长度（mm）。

Comparative analysis of analogous structures

与草莓相比，番茄的果皮均匀分布于隔膜组织周围，子房壁与腔室间的隔膜结构赋予果实抗压变形能力（Li et al., 2017）。而在物理压缩实验中，我们观察到完全成熟的草莓呈现中空腔室结构。这表明草莓与番茄具有结构相似性——番茄的中果皮与草莓的皮层组织均承担主要力学支撑功能，而草莓的髓腔与番茄的籽腔在压缩过程中均表现出塌陷优先性。

Conclusions

本研究综述了离散元建模（DEM）与现有有限元模型（FEM）在机械损伤分析中的局限性，提出通过离散元法测定草莓物理特性，利用休止角（AOR）验证测量精度，并通过轮廓镜像追踪技术提升仿真模型准确性。基于实验测试与数值模拟，主要结论如下：1）通过DEM标定获得的关键参数（包括应力-应变曲线、恢复系数、静/动摩擦系数等）误差控制在3%以内；2）穿刺试验确定草莓外果皮损伤阈值为等效塑性应变PEEQ=0.078；3）供应链中机械损伤主导因素依次为：振动＞碰撞＞温湿度应力＞堆叠压迫；4）提出减损对策：采用柔性缓冲材料吸收运输振动、通风包装降低热应力损伤、分层隔离装置抑制腐烂扩散。本研究为草莓采摘-储运全链条的机械损伤防控提供了量化依据与仿真基础。

CRediT authorship contribution statement

Liping Chen: 评审与编辑、 Supervision、 Resources、 Funding acquisition、 Conceptualization

Ya Xiong: 评审与编辑、 Supervision、 Resources、 Project administration、 Methodology、 Investigation、 Funding acquisition、 Conceptualization

Zhicheng Hu: 评审与编辑、 原稿撰写、 Visualization、 Validation、 Software、 Methodology、 Formal analysis、 Data curation、 Conceptualization

Declaration of Competing Interest

作者声明以下潜在竞争利益：Ya Xiong接受海淀区农业农村局经费资助。其余作者声明无已知竞争性财务利益或个人关系影响本研究。

Acknowledgments

本研究由海淀区农业农村局、贵州省研究生科研基金（编号：2024YJSKYJJ030）、北京市农林科学院杰出青年基金（YKPY2025007）、BAAFS创新能力项目（KJCX20240321）及国家自然科学基金优秀青年科学家基金（海外）资助。