油茶鲜果离散元柔性破壳模型的构建与实验验证及其在机械化脱蒲中的指导意义

本刊推荐：本研究针对油茶鲜果机械化脱蒲设备研发中缺乏专用离散元柔性模型的问题，通过实验测定果实特征尺寸、本征参数与接触参数，基于EDEM软件构建了融合结构特性与力学性能的离散元柔性模型。采用中心复合设计（CCD）方法优化粘结键参数，使模拟破壳力与实际值误差仅0.22%，脱蒲装置模拟与实测脱蒲率误差小于5%。该模型精准模拟了鲜果沿缝合线的破裂过程，为油茶鲜果脱蒲机理研究及装备参数优化提供了可靠的离散元方法（DEM）支持。

　　

Highlight

特征尺寸测量

油茶鲜果物料的特征参数对脱蒲设备设计至关重要。本文采用的湘林系列品种采自湖南衡阳大三湘油茶种植基地（图1a），其果壳厚度为2-6 mm，单果含3-5粒种子。如图1b所示，果实表面的缝合线是果壳的脆弱区域，成熟后果实易沿此线破裂。本研究随机选取100个果实，使用数显卡尺（精度0.01 mm）测量果实三维尺寸（纵径、横径、厚度），并计算其球形度。采用质构仪测定果壳破裂力，为离散元模型提供关键输入参数。

模型刚度标定

为更真实地模拟油茶鲜果在离散元柔性模型中的力学行为，需确定果壳与破裂线间粘结键参数的最优组合。本研究基于中心复合设计（CCD）原则，针对法向刚度-切向刚度（S_n-S_t）和临界法向应力-临界切向应力（σ_c-τ_c）开展两因素五水平实验，以破壳力偏差（ΔF）和模拟破壳力（F_s）作为响应变量建立回归方程，通过响应面优化获得最优参数组合，使模拟值与实验值高度吻合。

Conclusions

基于颗粒粘结模型（Bonded Particle Model, BPM）建立了油茶鲜果脱蒲离散元柔性模型，通过实验与仿真相结合的方式标定并验证了最优粘结参数。主要结论如下：

(1) 确定了油茶鲜果的本征参数与接触参数：弹性模量为165.86 MPa，平均破壳力为235.61 N，果壳与茶籽密度分别为1046.21 kg/m3和1107.73 kg/m3，果壳间静摩擦系数为0.47，果壳与钢的碰撞恢复系数为0.32。

(2) 通过中心复合设计实验得到最优粘结参数组合：S_n=1.16×10⁷ N/m3，S_t=5.79×10⁶ N/m3，σ_c=1.97×10⁶ Pa，τ_c=3.16×10⁶ Pa，此时破壳力模拟误差仅为0.22%。

(3) 在不同转速下，脱蒲装置的模拟脱蒲率与实际脱蒲率误差均小于5%，证实该模型能有效模拟油茶鲜果的实际破裂过程。本参数标定方法合理，可为油茶鲜果脱蒲机与脱蒲方式的参数优化提供直接指导。