小麦植株连续变形与断裂特性的通用离散元建模方法及收获过程研究

本文提出了一种基于离散元法(DEM)的小麦植株通用建模方法，通过构建麦秆、麦穗和麦粒的几何模型，结合Hertz-Mindlin接触模型和粘结模型，实现了对成熟小麦连续变形和断裂特性的精确模拟。研究通过含水率测定、排水法、斜面试验等实际测试验证了模型参数，在切割和脱粒过程中仿真与实验误差分别不超过4.4%和9%，为农业机械化收获装备设计提供了有效工具。

　　

Highlight

本研究亮点在于开发了具有连续变形和可断裂特性的小麦植株通用离散元模型，通过整合麦秆、麦穗和麦粒的几何与力学参数，首次实现了对收获过程中复杂力学行为的精准模拟。

Intrinsic parameters of wheat plants

为获取小麦植株本征参数，研究团队采用水分测定仪(DHS-10A)测得麦粒含水率为7.3%-7.7%，麦秆节间含水率为6%-7%。通过排水法测定密度显示，麦粒密度为1.2-1.4 g·cm^-3，而麦秆因中空结构呈现0.3-0.4 g·cm^-3的较低密度。

Parameters of wheat plant

斜面试验和倾斜平面跌落测试揭示了小麦器官的静摩擦系数（麦粒间0.23-0.28，麦粒-钢0.35-0.42）和碰撞恢复系数（0.42-0.48）。拉伸/压缩/剪切实验则标定了粘结力学参数，为后续DEM模型构建奠定基础。

Conclusion

该模型在切割力（误差≤4.4%）和总脱粒率（误差≤9%）验证中表现优异，突破了传统模型无法模拟植株动态变形的局限，为农业装备优化提供了创新性数字孪生平台。