模拟玉米苞片的各向异性力学行为：一种基于键合差异的离散元（DEM）建模方法

《Advanced Powder Technology》：Simulating anisotropic mechanical behavior of corn bracts: a bonding-differentiated DEM modeling approach

玉米苞片各向异性离散元模型开发及参数校准方法研究，通过实验测定机械特性并利用Plackett-Burman筛选和Box-Behnken优化确定关键参数，验证模型在模拟拉伸断裂行为时的准确性，为脱叶设备设计提供理论支持。

　　

李俊|刘波|王本杰|吴志军|韩丹丹

四川农业大学机电工程学院，雅安625014，中国

摘要

为了实现玉米脱粒过程的高保真模拟，本研究开发并严格校准了一种各向异性的离散元方法（DEM）模型来模拟玉米苞叶。通过实验量化了成熟苞叶的机械性能和各向异性拉伸断裂力作为校准基准。利用苞叶的解剖结构，构建了一个基于Hertz-Mindlin模型的DEM模型，并加入了粘合模型，该模型由具有双差分粘合界面的球体单层构成。通过Plackett-Burman筛选方法从九个变量中确定了四个关键粘合参数：单位面积的纵向和横向粒子间法向刚度、粘合圆盘半径以及纵向粒子间的临界法向应力。在确定最速上升路径后，利用Box-Behnken响应面方法建立了将这些参数与响应变量相关联的预测模型并进行优化。在最佳配置下，模拟得到的纵向和横向拉伸断裂力分别为29.49 N和13.11 N，与实验值的相对偏差仅为0.03%和0.76%。该模型还准确再现了实际观察到的变形特性和断裂机制。这种经过验证的苞叶模型和系统的校准方法为开发全面的玉米穗模型和分析脱粒过程提供了坚实的基础。

引言

玉米在中国无论是种植面积还是产量方面都是主要的谷物作物，机械化收割技术是国家粮食安全战略的基石[1]，[2]。在玉米穗收割作业中，脱粒机制是一个关键组成部分，直接影响收割质量和作业效率[3]。该系统通过脱粒辊的旋转摩擦作用实现有效且损伤最小的苞叶去除[4]。然而，在田间条件下，苞叶具有复杂的生物力学特性，经常出现缠绕和粘附现象，导致圆筒堵塞和脱粒性能下降[5]。这些现象大大降低了作业效率，增加了能源消耗，并可能由于过大的机械应力而增加籽粒破损率[6]。苞叶组织表现出明显的非线性、粘弹性和各向异性特性。在高速度动态摩擦和压缩力作用下，材料会发生显著变形，形成缠绕块或粘附在脱粒辊表面[7]。因此，全面研究玉米苞叶在机械载荷下的机械响应及其分离机制对于优化脱粒装置设计、提高收割机的作业可靠性和整体性能具有重要的实际意义。

在现代玉米脱粒设备中，通过脱粒辊对苞叶施加拉力是最直接的实施机械脱粒的方法。这种方法已成为现代玉米穗收割作业中的主导技术[8]，[9]，[10]。研究这种基于拉力的系统下的苞叶机械特性对于提高自动化脱粒效率具有重要的实际意义[11]。目前，关于玉米苞叶在拉伸载荷下的机械响应的研究仍然相对较少。系统地表征其拉伸性能有助于实现节能的苞叶去除，从而提高收获后的穗质并减少籽粒损伤[12]，[13]。

在脱粒装置的研究中，离散元方法（DEM）通过DEM对苞叶的微观粒子尺度相互作用来阐明宏观机械现象，相较于传统的实验室测试、田间实验和基于连续介质的计算方法具有明显优势[14]，[15]。这种方法能够直接可视化苞叶分离动态和运动行为，非常适合用于模拟包括苞叶和叶片组织在内的农业基质在拉伸和压缩等不同载荷条件下的行为[16]。为了分析苞叶的脱离过程，需要开发一个能够准确捕捉苞叶断裂力学的DEM模型。

全球研究人员在构建多种农产品的DEM模型方面取得了显著进展，包括小麦[17]和水稻[18]等谷物，辣椒种子[19]等经济作物，玉米粒[20]和大豆[21]等田间作物，玉米穗[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，以及许多其他农业生物材料[29]，[30]。然而，对于高度灵活和可变形的植物结构——苞叶的DEM表征仍不够充分。尚未建立系统的计算框架来系统地建模和分析这些材料。

构建苞叶DEM模型的主要难点有两个：首先，苞叶复杂的形态结构，尤其是其纤维状和分层特性，给使用传统的球形粒子近似表示带来了重大挑战。其次，虽然Hertz-Mindlin模型结合粘合模型为捕捉苞叶间的粘附和缠绕现象提供了一个合理的框架，但关键粘合参数（包括单位面积的法向/切向刚度和临界法向/切向应力）无法通过直接的理论分析确定。这些参数需要通过严格的实验验证和全面的校准协议来反推得出。

本研究在玉米生理成熟期对其苞叶进行了研究，通过物理测试系统地量化了其基本物理性质以及纵向和横向的拉伸机械特性。结合苞叶组织的微观结构分析，利用Hertz-Mindlin模型构建了DEM模型。以纵向和横向拉伸断裂力作为响应变量，通过Plackett-Burman筛选、最速上升方法和响应面分析建立了系统优化框架，以确定和校准苞叶DEM模型中的关键粘合参数。通过将校准后的苞叶DEM模型的模拟拉伸行为与实验数据进行比较，验证了所构建模型的准确性和保真度，证明了该模型在预测机械响应方面的有效性。所得到的DEM模型及相关粘合参数与实际苞叶的机械行为高度吻合。通过开发高保真的玉米苞叶DEM模型并确定关键粘合参数，本研究为模拟脱粒装置中的堵塞机制提供了有效的计算框架，同时为其他柔性农业纤维材料的DEM建模建立了基本的理论基础和方法指南。这一贡献标志着农业机械系统的数字化设计和智能优化方面的重大进展。

部分摘录

玉米苞叶材料

实验中使用的玉米品种为“楚丹99”，这是一种在中国西南部山区广泛种植的优良杂交基因型。该品种的苞叶大小适中，包裹紧密，具有良好的机械韧性。测试样本于2025年8月中旬从四川省雅安市四川农业大学的研究站获取（102°56′E，29°59′N），此时正值苞叶的生理成熟期

关于苞叶DEM模型粘合参数的意义分析

苞叶粘合参数的Plackett-Burman评估的实验设计和结果见表6。

使用Design-Expert软件（版本13，Stat Ease Ltd.，美国明尼阿波利斯Godward St NE）对Plackett-Burman测试数据进行了方差分析（ANOVA），结果总结在表7中。单位面积的纵向粒子间（P1:P1和P2:P2）法向刚度（k_n1）（P = 0.0032）对苞叶的影响最为显著

结论

为了开发一个能够准确反映玉米收割过程中苞叶机械特性的DEM模型，本研究通过结合实验测试和计算建模的综合方法全面研究了苞叶的拉伸机械响应。DEM粘合参数经过了系统的校准和严格的验证。主要发现总结如下：

(1)

基本的物理化学和机械

CRediT作者贡献声明

李俊：概念构思、数据整理、正式分析、方法论、初稿撰写。刘波：数据整理、方法论。王本杰：软件开发。吴志军：概念构思、方法论。韩丹丹：资金获取、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢山区主要粮油作物生产全产业链智能绿色农业机械与设备开发项目（项目编号：2024ZDZX0028）、四川省山区玉米产量提升关键核心技术及设备研发项目，以及四川天府新区乡村振兴研究院项目（项目编号：XZY1-11）的支持。