基于DEM-MBD耦合方法的种子玉米脱粒过程籽粒损失仿真与试验研究

针对种子玉米机械化脱粒过程中籽粒损失严重的问题，研究人员通过建立玉米果穗离散元模型(DEM)与脱粒机构多体动力学模型(MBD)的耦合仿真系统，采用Box-Behnken实验设计优化参数组合，最终获得脱粒辊间隙-0.8 mm、转速420 r·min?1等最优参数，使籽粒脱落率降至0.80%，误差<3%，为低损伤种子玉米脱粒设备研发提供理论依据。

　　

玉米作为全球主要粮食作物，其种子质量直接关系到粮食安全。然而在机械化脱粒过程中，高达1.75万吨的年产量背后隐藏着令人痛心的籽粒损失问题——脱粒机构与玉米果穗复杂的相互作用导致籽粒破损脱落，严重影响种子发芽率和产量。传统研究方法难以精确捕捉柔性体与刚性体间的弹性变形规律，成为制约低损伤脱粒技术发展的瓶颈。

甘肃省农业科研团队在《Biosystems Engineering》发表的研究中，创新性地采用离散元-多体动力学耦合(DEM-MBD)仿真技术，构建了包含玉米芯、籽粒和苞叶三层结构的"郑单958"果穗离散元模型，结合柔性体网格划分技术建立脱粒机构多体动力学模型。通过单因素实验确定关键参数范围后，运用Box-Behnken响应面法开展三因素三水平实验，最终解析出脱粒机构工作参数与籽粒损失的量化关系。

关键技术包括：基于粘结接触模型(Bonding)的玉米果穗分层建模、柔性体网格划分构建MBD模型、DEM-MBD耦合仿真平台搭建、以及转速420 r·min^?1等参数的响应面优化。实验样本来自甘肃张掖(38°93′N, 100°45′E)田间收获的"郑单958"玉米，所有测试在采收后5天内完成。

【实验材料】

研究选用中国西北广泛种植的"郑单958"玉米品种，通过分层建模将果穗分解为芯轴、籽粒和苞叶三层结构，采用粒子填充法建立离散元模型，精确还原各层力学特性差异。

【单因素实验结果与分析】

曲线分析显示：压送器与脱粒辊间距在27-33 mm时籽粒损失率最低；脱粒辊转速存在临界值420 r·min^?1；辊间隙负值(-0.8 mm)产生最佳挤压效果。这些发现为多目标优化提供了参数范围依据。

【结论】

研究建立的DEM-MBD耦合模型能准确预测籽粒损失率(误差<3%)，最优参数组合使损失率降至0.80%。该模型突破了传统方法对柔性体相互作用的模拟局限，所采用的粘结接触模型和分层建模技术为农产品加工机械设计提供了新思路。

这项研究不仅解决了种子玉米脱粒过程中的关键工程技术难题，其创新的DEM-MBD耦合方法更为农产品机械-物料相互作用研究建立了标准化分析框架。团队获得的33 mm间距、420 r·min^?1转速等优化参数，已通过甘肃省重点研发计划(24YFNA019)等项目的支持进入设备改良阶段，为保障国家种业安全提供了重要技术支撑。