综述：DEM中农业材料形态的建模：方法、进展与挑战

《Computers and Electronics in Agriculture》：Modelling the shapes of agricultural materials in DEM: methods, advances, and challenges

　　

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  农业材料DEM形态建模综述。
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  按形态类型对农业材料进行分类。
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  单元素与多元素形态模型的比较。
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  平衡精度与效率的形态模型选择框架。
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  混合与复合系统DEM建模中的关键挑战。

引言

全球人口的持续增长以及对食物需求的不断增加，使得提升农业生产力与产品质量成为保障全球粮食安全的关键。要实现更高的产量和更好的产品质量，就需要优化农业机械的设计与运行方式（Cho和Nam，2024；Wang和Zeng，2025）。然而，这一任务颇具挑战性，因为农业机械需要在包含土壤、农作物及作物残余物等多种材料的复杂工作环境中运行。因此，机械的性能不仅取决于结构设计和动力参数，还与复杂的材料间以及材料与机械间的相互作用有关（Maraveas等人，2025）。传统的试错式设备研发与测试方法往往存在局限性，因为它们耗时耗力，且极易受到不同环境条件的影响。为了解决这些问题，计算机辅助工程逐渐成为一种重要工具，它能够加快研发周期，通过迭代模拟及早发现设计缺陷，还能提供不受天气或场地条件影响的可重复测试环境（Chang，2015）。

尽管有这些优势，但计算机辅助工程的效果在很大程度上取决于所采用的数值方法。传统的基于连续体的计算机辅助工程方法，如有限元法与计算流体力学，通常将材料视为连续介质。例如，土壤就曾通过有限元法被当作连续介质来处理（Jasoliya等人，2024；Swamy等人，2023；Zeng等人，2023），也通过计算流体力学方法进行研究（Karmakar等人，2007；Pisanò等人，2020；Tang等人，2023）。虽然这些方法在固体结构分析与流体流动分析领域已经十分成熟，但它们在捕捉农业材料如谷物、种子和土壤等常见材料所具有的离散特性和非线性行为，比如不均匀性、断裂和分离现象方面存在局限（Tian等人，2024）。与之相比，离散元法最初由Cundall和Strack提出，该方法明确将材料视为由离散颗粒组成的集合体，并受牛顿第二运动定律的支配（Cundall和Strack，1979）。通过接触力模型来模拟颗粒之间的碰撞，离散元法既能够捕捉颗粒系统的微观相互作用，也能呈现其宏观行为特征（Yan等人，2022）。正因如此，离散元法已成为模拟农业过程的一种广泛应用的数值方法，这些农业过程包括耕作、播种、收割以及收获后的处理作业（Walunj等人，2023）。

DEM模拟的准确性在很大程度上取决于输入参数的选择，而颗粒形状则是其中的关键因素之一（Coetzee，2020）。颗粒形状决定了微观层面的接触力学特性，同时也会影响宏观层面的静态堆积行为与动态流动特性（Guo和Curtis，2015）。在参数确定的过程中，颗粒形状往往会在早期就被确定下来，因为一旦其表示方式发生变化，通常就需要重新校准其他模型参数（Coetzee，2016；Katterfeld等人，2019）。虽然由于计算简单高效，球形颗粒在离散元法中应用较为普遍（Feng，2023），但农业材料如谷物、茎秆和叶片等通常具有非球形的复杂形态，与理想的球形形态存在差异。因此，要么直接对这些非规则几何形状进行建模，要么在使用球形颗粒时充分考虑其带来的影响。不过，由于农业材料的颗粒几何形态极为多样，且更精细的表示方式会带来更高的计算成本，所以为农业材料选择合适的形态建模方法依然是一项艰巨的任务。

虽然已有不少研究探讨了离散元法中非规则颗粒的建模方法（Feng，2023；Lu等人，2015；Ma等人，2022；Zhao等人，2023a；Zhong等人，2016），但这些研究大多集中在接触算法与力模型方面，或者应用于非生物类的粉末与颗粒材料。相比之下，现有针对农业工程领域中离散元法的综述更多侧重于参数校准与典型应用，而非形态表示本身（见表A.1）。因此，目前仍缺乏专门聚焦于农业材料形态建模方法的系统性综述。本研究从应用角度出发，填补了这一空白，旨在为那些需要在离散元法模拟中选择并应用合适颗粒形状表示的农业工程领域的研究人员与从业者提供参考。该综述分析了不同方法的优缺点，总结了当前面临的挑战与未来的研究方向，同时提出了一个方法论框架，为农业工程应用中的形态模型选择与开发提供指导。

本文的结构如下：第2节介绍文献综述的方法；第3节介绍并比较离散元法中常见的形态建模方法；第4节回顾农业材料的形状测量与表征方法；第5节总结不同类型农业材料的形态建模研究进展及其对应应用；第6节探讨模型选择时的实际考量因素；第7节阐述当前面临的挑战与未来的研究方向；最后，第8节给出结论。

章节概要

文献分析方法

本综述采用了系统性文献综述的方法，根据预先设定的标准与流程来收集、筛选和分析现有研究。与传统叙述式综述相比，系统性文献综述更注重全面性、客观性与可重复性，从而更好地契合研究问题，提升基于证据的分析结果的可靠性。它能够有效总结研究进展，识别知识缺口，并为后续研究提供方向。

离散元法中的形态建模方法

本节主要介绍离散元法中典型的形态建模方法，重点对其分类，并比较各自的优缺点与应用范围。关于非规则形态模型的理论基础与详细实现方法，包括接触检测算法与接触力模型，已在其他研究中进行了全面阐述（Feng，2023；Ma等人，2022；Zhao等人，2023a；Zhong等人，2016），此处不再赘述。

离散元法中的形态建模方法

形状测量与表征方法

要在离散元模拟中实现准确的形状表示，就需要有系统的方法来测量和表征农业材料的几何特征。形状测量与表征属于一个跨学科领域，涉及计算机视觉、摄影测量、材料科学以及农业工程等多方面的技术。本节主要介绍常用于农业材料的测量方法与表征技术，概述相关内容。

离散元法中农业材料的形态建模

农业材料具有多种多样的形态特征，其几何特征与结构属性会影响离散元建模方法的选择以及参数配置。根据几何形态，农业材料大致可分为四类：颗粒型材料，这类材料的最大直径、中间直径与最小直径相近（如土壤、谷物、水果）；棒状型材料，其特点是具有较大的

形态模型选择时的实际考量因素

选择合适的颗粒形状模型需要权衡模拟精度与计算效率之间的关系。虽然更精细的形状表示能够提升预测能力，但也会大幅增加计算成本。在研究与工业应用中，精度与效率之间的平衡存在差异：研究工作可能需要使用复杂的模型来探究基本机制，而工业应用则更需要高效的模型来支撑实际工作。

面临的挑战与未来展望

尽管在农业材料离散元形态建模方面已经取得了显著进展，但仍有诸多挑战限制着精细形状表示的精度、效率以及更广泛的推广应用。目前有四个关键领域亟需进一步发展：（一）复杂形状的测量与重建；（二）非球形接触建模的计算精度提升；（三）非球形接触建模的计算效率提升；（四）针对混合材料与复合材料的混合形态建模策略。

结论

颗粒形状建模对于决定农业生产过程离散元模拟的精度、可靠性以及计算效率起着至关重要的作用。农业材料具有极强的形态多样性，且常常以混合材料与复合系统的形式存在，这就要求根据材料类型与应用目标仔细选择合适的形状表示方法。本综述系统地研究了农业材料的形状测量、表征以及建模相关内容。

关于在科学写作中使用人工智能的声明

在撰写本稿件时，作者们使用了ChatGPT来提升文本的语言表达水平与可读性。在使用该工具/服务之后，作者们对内容进行了必要的审阅与修改，并对最终发表的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献说明

李晓宇：写作——综述与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件，资源，方法论，资金获取，正式分析，数据整理。刘向磊：写作——初稿撰写，验证，软件，项目管理，数据整理。刘雷：写作——综述与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督指导。杜月峰：写作——综述与编辑，监督指导，项目管理，资金获取，正式分析，概念构思。宋正和：

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32572212）、中国博士后科学基金（项目编号2023 M743790）以及中国博士后科学基金会博士后 fellowship项目（项目编号GZC20233026）的支持。

Xiaoyu Li|Xianglei Liu|Lei Liu|Yuefeng Du|Zhenghe Song|Zhengpu Chen