《Food Research International》：Integration of high-speed imaging, pressure-sensitive film, and finite element method for predicting drop damage in postharvest collision of ‘Dangshansuli’ pears (
Pyrus bretschneideri Rehd.) with different contact materials
编辑推荐：
•0.528?J的临界冲击能量足以导致“当山酥”梨出现碰伤。•COR安全阈值是实现实时损伤监测的重要依据。•随着材料刚度的降低，导致碰伤的应力阈值会从0.2?MPa上升至0.3?MPa。•对于刚性碰撞，有限元分析能够以超过81%的准确率预测损伤发展情况。•能量耗散是导致梨组织损坏
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0.528?J的临界冲击能量足以导致“当山酥”梨出现碰伤。
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COR安全阈值是实现实时损伤监测的重要依据。
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随着材料刚度的降低，导致碰伤的应力阈值会从0.2?MPa上升至0.3?MPa。
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对于刚性碰撞，有限元分析能够以超过81%的准确率预测损伤发展情况。
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能量耗散是导致梨组织损坏的主要机械因素。
引言
近年来，水果产业已成为继谷物和蔬菜之后的第三大农业支柱产业，在国际市场上具有广阔的发展前景和较强的竞争力（Yan等，2024）。梨（Pyrus属）作为一种在全球广泛销售的常见新鲜水果，富含多种营养物质和微量元素（Cao等，2024；Cheng等，2025）。然而，“当山酥”梨（Pyrus bretschneideri Rehd.）具有明显的各向异性和脆性力学特性，这主要与其内部石细胞含量高以及这些石细胞在细胞壁处造成的局部应力集中有关（Hong等，2024；Xue等，2025）。水果极易受到外部机械作用力的影响，在采收、分选和运输过程中容易遭受冲击损伤，而这类损伤最终会导致严重的经济损失和资源浪费（Fernando等，2018；Yu等，2026）。冲击损伤通常表现为组织破裂、损伤或微裂纹，这些都是导致水果采后品质下降的关键因素（Pathare & Al-Dairi，2021；Xu等，2020）。
将物理模拟和数字建模应用于解决采后损伤问题，已成为精准农业领域中一个新兴的跨学科研究方向。以往的研究多聚焦于香蕉（Al-Dairi等，2023）和柑橘（Ortiz等，2011）等水果的坠落冲击现象。不过，坠落损伤属于毫秒级的时间尺度上的瞬态动态现象，其碰撞结果取决于冲击能量的分配以及随后应力波的传播情况（Abruzzo等，2022）。尽管高速摄像机结合冲击力、压缩深度等参数可以定量评估损伤程度（Stropek & Golacki，2020；Wang等，2020），但要弄清内部应力的演化机制仍然面临很大挑战。同样，虽然压敏膜技术能够有效表征蓝莓（Huang等，2024）和苹果（Lu等，2010）的接触应力分布，但建立空间应力参数与动态能量转换之间的定量关系仍是一个有待解决的问题。
有限元方法（FEM）是分析复杂物体内部应力分布的有效工具（Hu等，2026）。Ahmadi等（2016）研究了苹果在冲击载荷作用下的粘弹性响应。Du等（2019）则模拟了接触材料对猕猴桃力学性能的影响。尽管有限元方法已被用于预测梨（Celik，2017）和萝卜（Xu等，2023）的损伤情况，但由于梨具有“硬质（石细胞）-软质（薄壁组织）”的多相结构，其碰撞机制要比普通品种复杂得多。目前仍缺乏关于梨在坠落过程中冲击能量、接触应力与碰伤发展之间定量关系的系统研究，这也限制了采后智能设备在减轻损伤方面的设计优化。
本研究旨在通过物理实验与数值模拟相结合的方式，建立一种评估梨果损伤程度的方法体系。具体目标如下：（i）分析高度和接触材料对梨果瞬态力学性能的影响；（ii）通过将冲击能量理论与高速摄影技术相结合，阐明动能耗散过程及恢复系数（COR）的演化机制；（iii）利用压敏膜技术，基于接触应力理论精确确定梨果组织损伤的临界力学阈值；（iv）构建基于有限元方法的仿真模型，将果肉组织视为等效的机械系统，从而实现对宏观坠落冲击损伤的高精度预测。
章节要点
果实准备与坠落处理
“当山酥”梨采自中国陕西省蒲城县一家商业化果园中的均匀生长植株。所选果实大小一致，无病虫害和机械损伤，成熟度也相当（可溶性固形物含量为13.2?±?0.8°Brix，滴定酸度为0.18?±?0.02%，硬度为60?±?10?N）。采收后立即将梨运送到食品工程与营养学院的冷藏库中，冷藏条件为0–2?°C、相对湿度85–95%。
接触材料的物理性质
通过物理性能测试确定了梨的密度、弹性模量以及泊松比。钢板、橡胶板、瓦楞纸板和泡沫板的材料参数则来自ANSYS材料库。将获取的测量数据取平均值后，最终的材料参数列于表1中。这些物理性能参数为构建用于预测果实损伤的精确有限元模型提供了基础。
冲击能量与接触材料对损伤面积的影响
进行了坠落试验。
结论
本研究通过结合高速摄影、Prescale?压敏膜技术以及有限元仿真，系统研究了“当山酥”梨在坠落冲击过程中的损伤机制。从冲击能量耗散和接触应力分布的角度出发，阐明了果实损伤的演化规律，并建立了高精度的预测模型。主要结论如下：
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梨的冲击损伤面积会随着坠落高度的增加而呈线性增长。
作者贡献说明
赵晨旭：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、数据整理。李宇驰：研究方法设计、实验开展、数据整理。郭玉荣：研究指导、资源提供、正式数据分析。魏辉：研究指导、资源提供。孟永红：软件应用、资源提供、资金筹集。牛俊鹏：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、软件应用、正式数据分析。宋书杰：论文撰写——审阅与编辑、资源提供、研究方法设计、资金筹集。
未引用参考文献
Guo等，2025
Guo等，2025
Razavi和BahramParvar，2007
Wu、Li、Ge和Hu，2013
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32102026）、陕西省重点研发计划（项目编号：2018NY-162）以及陕西省重点研发计划（项目编号：2024NC-YBXM-171）的支持。
赵晨旭|李宇驰|郭玉荣|魏辉|孟永红|牛俊鹏|宋书杰
