紅花是世界范圍內(nèi)廣泛種植的經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)作物,，用途廣泛，包括食品,、藥材,、紡織印染等。中國新疆因其獨(dú)特的地理和氣候條件,，紅花資源豐富,，種植面積近4萬hm²。目前,，紅花收獲機(jī)械的研究已取得進(jìn)展,，特別是末端執(zhí)行器的研究，但紅花絲質(zhì)地柔軟,、形態(tài)復(fù)雜,，其生物力學(xué)特性很難用牛頓力學(xué)試驗(yàn)分析，導(dǎo)致紅花采收相關(guān)執(zhí)行器參數(shù)的設(shè)定缺乏依據(jù),。解決這個(gè)問題的一個(gè)可能的方法是使用離散元模擬來研究紅花的微觀機(jī)制。因此,，建立紅花離散元模型可以加快對其生物力學(xué)特性的深入探索,，并為相應(yīng)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),。

近日，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張振國副教授團(tuán)隊(duì)在International Journal of Agricultural and Biological Engineering在線發(fā)表一篇題為"Discrete element modeling and parameter calibration of safflower biomechanical properties"的研究論文,。

該研究提出了一種紅花仿真參數(shù)的校準(zhǔn)方法,。首先，通過測量紅花的幾何參數(shù),、密度,、泊松比和彈性模量等內(nèi)在參數(shù)，建立了離散元模型,。其次,，結(jié)合物理和仿真試驗(yàn)來校準(zhǔn)接觸和粘結(jié)參數(shù)。在接觸參數(shù)試驗(yàn)中,，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型來進(jìn)行紅花花絲的堆積角試驗(yàn),，通過Regular two-level factorial design來確定重要因素并進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)。此外,，采用Box-Behnken design來獲得最佳接觸參數(shù),。在粘結(jié)參數(shù)試驗(yàn)中，采用Hertz-Mindlin with bonding模型進(jìn)行紅花剪切試驗(yàn),，并通過the central composite design獲得了最佳粘合參數(shù),。

紅花接觸參數(shù)通過花絲堆積角試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)（深圳市銳格爾儀器有限公司研制）上進(jìn)行,，采用鋼筒（直徑50mm,，高300mm），倒入250mL紅花絲,。萬能試驗(yàn)機(jī)控制氣缸以0.1m/s的速度緩慢上升,，紅花絲通過重力向下流動(dòng)，形成花絲堆,。使用高清相機(jī)拍攝紅花絲堆疊的前視圖像（圖1a）,。 為了減少測量誤差，利用MATLAB軟件測量花絲堆夾角,。 首先,，從初始圖像中截取圖像的左半部分（圖 1b）并進(jìn)行二值化（圖 1c）。 接下來,，提取圖像邊界點(diǎn)以獲得邊界曲線,，并擬合線性方程（圖1d），得到以下方程y_c= 0.632x - 1.046,，測量得出花絲堆積角夾角為32.29°,。重復(fù)試驗(yàn)五次后，測得平均堆疊角為30.80°,。

建立精確的花絲3D模型是驗(yàn)證紅花接觸參數(shù)的基礎(chǔ),。根據(jù)自然生長狀態(tài)和實(shí)際收獲過程建立了絲狀模型,。 單個(gè)細(xì)絲的損壞分為三種典型的細(xì)絲形態(tài)：完整的細(xì)絲（圖2a）、受損的細(xì)絲（圖2b）和殘缺的細(xì)絲（圖2c）,。

建立與堆積角試驗(yàn)相同的虛擬圓柱體（內(nèi)徑50mm,、高300mm），圓柱體材料屬性為鋼,，鋼材料參數(shù)直接從EDEM軟件素材庫中提?。轰摬此杀?/span>μs為0.3、密度ρs為7900 kg m^-3和剪切模量Gs為7.94×10¹⁰ Pa,。并在圓柱體頂部設(shè)置顆粒工廠,，結(jié)合離散元仿真中農(nóng)業(yè)物料和花類物料離散元仿真參數(shù)，確定花絲接觸參數(shù)的取值范圍如表1所示,。

將圓柱體的頂部添加到虛擬表面并設(shè)置為粒子工廠,，花絲顆粒在速度、總量和時(shí)間條件分別為0.5 m/s,、0.2 kg和0.65 s下動(dòng)態(tài)生成,。以表1中最高值作為仿真試驗(yàn)參數(shù)，使用與物理測試中相同的方法測量燈絲模擬堆疊角度（圖2a-d）,。 最終得到相應(yīng)的仿真擬合方程y_cs=0.723x+1.331,，測得模擬堆疊角度為35.87°

紅花頸縮是指絲簇溢出的形成，反映了紅花的主要生物力學(xué)特征,。紅花粘結(jié)參數(shù)通過質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行縮頸剪切測試獲得,。質(zhì)構(gòu)儀設(shè)置初始力為50 N，速度為20 mm/min,，返回速度為20 mm/min,，返回距離為30 mm，如圖4所示,。最大剪切力為58.27 N,，十組樣品的平均剪切力為43.36 N。

紅花的基本形態(tài)如圖5a所示,，使用SolidWorks 2022繪制出紅花的三維模型,，將紅花縮頸抽出的單個(gè)花絲模型由花絲柱組成，從果球頂部長出呈傘狀,，底部花絲簇粘合在一起,，形成紅花縮頸，繪制三維模型如圖5b所示,。將三維模型保存為 .igs 格式導(dǎo)入EDEM2020軟件,，使用快速填充方式生成紅花離散元模型，如圖5c所示。

結(jié)合離散元仿真中農(nóng)業(yè)物料和花類物料離散元仿真參數(shù),，將紅花的法向和切向接觸剛度數(shù)值在10⁸ pa~10¹⁰ pa,，臨界法向和切向應(yīng)力數(shù)值在1 Mpa~100 Mpa，粘結(jié)鍵半徑數(shù)值在0.2~0.4,，粘結(jié)參數(shù)取值范圍如表2所示。

根據(jù)紅花物理剪切試驗(yàn),，如圖6a所示,。經(jīng)過堆積角試驗(yàn)確定好紅花接觸參數(shù)后，建立與質(zhì)構(gòu)儀剪切試驗(yàn)相同的虛擬三維刀座和刀具模型(材料屬性為鋼材料),，進(jìn)行離散元仿真剪切試驗(yàn)標(biāo)定紅花粘結(jié)參數(shù),，如圖6b所示。設(shè)置刀具初始速度20 mm/min,、剪切距離35 mm,。

為了驗(yàn)證接觸和粘結(jié)參數(shù)的準(zhǔn)確性，在校準(zhǔn)紅花接觸和粘合參數(shù)的最佳組合后,，通過物理和模擬剪切試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,。以最高剪切力作為響應(yīng)指標(biāo)，其他設(shè)置條件保持不變,，如表3所示,。

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，花絲堆積角試驗(yàn)的相對誤差為3.19%,，剪切試驗(yàn)的最大剪切力相對誤差為5.29%,。紅花的離散元仿真參數(shù)標(biāo)定準(zhǔn)確，為紅花離散元仿真研究和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)提供參考,。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張振國副教授為論文的第一及通訊作者,，2022級碩士研究生曾超等為主要完成者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：52265041和31901417）的支持以及新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的幫助,。