基于DEM-PBM耦合方法的玉米籽粒冲击破碎机理与多尺度模拟研究

针对玉米机械化收获过程中籽粒破损率高的问题，研究人员采用离散元法(DEM)结合平行键合模型(PBM)，构建了不同含水率下玉米籽粒的可破碎模型，通过单因素试验、Plackett-Burman试验、最速爬坡试验和Box-Behnken试验等多阶段参数标定方法，揭示了冲击速度、姿态与含水率对断裂模式的调控机制，建立了裂纹扩展角度与键合力波动的数学模型，为玉米收获机械优化设计提供了理论依据。

　　

玉米作为全球主要粮食作物，其机械化收获过程中的籽粒破损问题长期困扰着农业生产。据统计，机械收获造成的玉米籽粒破损率可达15%-30%，不仅直接降低商品等级，更会引发储存过程中的霉变风险。传统研究多局限于宏观力学测试，对冲击载荷下籽粒内部裂纹萌生、扩展等微观机制缺乏有效观测手段，且实验周期长、成本高。如何精准模拟不同工况下玉米籽粒的断裂行为，成为农业工程领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，国内某高校农业工程团队在《Powder Technology》发表最新研究成果。研究人员创新性地将离散元法(DEM)与平行键合模型(PBM)耦合，构建了能精确反映玉米籽粒断裂特性的多尺度模型。通过3D扫描技术获取籽粒真实形貌，结合多阶段参数标定策略（含单因素试验、Plackett-Burman筛选、最速爬坡和Box-Behnken响应面优化），建立了含水率12%-24%范围内的键合参数数据库。模型验证显示峰值力的模拟误差仅1.34%-2.13%，成功实现了从静态压缩到动态冲击的全工况覆盖。

关键技术包括：1）基于X射线断层扫描的颗粒几何重构；2）DEM-PBM耦合模型的参数敏感性分析；3）高速摄影同步的冲击断裂实验；4）裂纹扩展路径的定量表征技术。研究选用中国东北地区主栽品种迪卡C3288马齿型玉米为样本，系统考察了不同含水率（12%、18%、24%）、冲击速度（5-25 m/s）和冲击姿态（底面BP、侧面SP、正面FP）的组合效应。

Construction of the maize kernel particle model
通过3D扫描建立籽粒几何模型，采用多球面聚合方法构建非规则外形，关键尺寸参数与实测误差<2%。PBM模型中设置键合半径系数为1.0，通过键合强度等效实现不同含水率下力学性能的梯度表达。

Single-factor experiments
单因素试验揭示键合刚度、强度对力学响应的非线性影响：法向键合强度每增加1 MPa，峰值力提升8.7%；而切向刚度对裂纹萌生能阈值的影响呈指数关系。通过Plackett-Burman设计筛选出含水率18%时键合刚度（E_b=1.2 GPa）为最敏感参数。

Conclusion
研究发现：1）冲击姿态显著改变断裂模式转变阈值，BP姿态最易破碎，FP姿态抗冲击性最强，含水率每增加6%可使临界破碎速度提高22%；2）建立含水率-速度-断裂模式相图，推导出BP姿态下临界速度方程v_cr=14.3+0.65MC（R²=0.96）；3）裂纹网络导致的应力屏蔽效应使高冲击速度（>20 m/s）下损伤比增速减缓40%，键合力波动幅度ΔF与裂纹角θ满足ΔF=0.34θ^1.8。

该研究首次量化揭示了农业物料冲击破碎中的能量耗散机制，提出的DEM-PBM耦合框架可扩展至小麦、水稻等谷物损伤分析。所建立的参数标定方法将传统校准工作量减少60%，为联合收获机脱粒装置转速、凹板间隙等关键参数的智能化调控提供了理论工具。研究结果已被应用于某型玉米收获机的改进设计，田间试验显示籽粒破损率降低31.5%，验证了模型的实际工程价值。未来工作将聚焦于多颗粒系统碰撞的群体效应模拟，以及基于深度学习的断裂参数快速反演方法开发。