紅花是世界范圍內(nèi)廣泛種植的經(jīng)濟經(jīng)濟作物，用途廣泛，包括食品、藥材、紡織印染等。中國新疆因其獨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，紅花收獲機械的研究已取得進展，特別是末端執(zhí)行器的研究，但紅花絲質(zhì)地柔軟、形態(tài)復雜，其生物力學特性很難用牛頓力學試驗分析，導致紅花采收相關(guān)執(zhí)行器參數(shù)的設定缺乏依據(jù)。解決這個問題的一個可能的方法是使用離散元模擬來研究紅花的微觀機制。因此，建立紅花離散元模型可以加快對其生物力學特性的深入探索，并為相應機械的設計提供理論依據(jù)。
近日，新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院張振國副教授團隊在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)合物理和仿真試驗來校準接觸和粘結(jié)參數(shù)。在接觸參數(shù)試驗中，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型來進行紅花花絲的堆積角試驗，通過Regular two-level factorial design來確定重要因素并進行最陡爬坡試驗。此外，采用Box-Behnken design來獲得最佳接觸參數(shù)。在粘結(jié)參數(shù)試驗中，采用Hertz-Mindlin with bonding模型進行紅花剪切試驗，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驗證。 試驗在萬能試驗機（深圳市銳格爾儀器有限公司研制）上進行，采用鋼筒（直徑50mm，高300mm），倒入250mL紅花絲。萬能試驗機控制氣缸以0.1m/s的速度緩慢上升，紅花絲通過重力向下流動，形成花絲堆。使用高清相機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）并進行二值化（圖 1c）。 接下來，提取圖像邊界點以獲得邊界曲線，并擬合線性方程（圖1d），得到以下方程yc= 0.632x - 1.046，測量得出花絲堆積角夾角為32.29°。重復試驗五次后，測得平均堆疊角為30.80°。
建立精確的花絲3D模型是驗證紅花接觸參數(shù)的基礎(chǔ)。根據(jù)自然生長狀態(tài)和實際收獲過程建立了絲狀模型。 單個細絲的損壞分為三種典型的細絲形態(tài)：完整的細絲（圖2a）、受損的細絲（圖2b）和殘缺的細絲（圖2c）。
建立與堆積角試驗相同的虛擬圓柱體（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軟件素材庫中提取：鋼泊松比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置為粒子工廠，花絲顆粒在速度、總量和時間條件分別為0.5 m/s、0.2 kg和0.65 s下動態(tài)生成。以表1中最高值作為仿真試驗參數(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）。 最終得到相應的仿真擬合方程ycs=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特征。紅花粘結(jié)參數(shù)通過質(zhì)構(gòu)儀進行縮頸剪切測試獲得。質(zhì)構(gòu)儀設置初始力為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，如圖6a所示。經(jīng)過堆積角試驗確定好紅花接觸參數(shù)后，建立與質(zhì)構(gòu)儀剪切試驗相同的虛擬三維刀座和刀具模型(材料屬性為鋼材料)，進行離散元仿真剪切試驗標定紅花粘結(jié)參數(shù)，如圖6b所示。設置刀具初始速度20 mm/min、剪切距離35 mm。
為了驗證接觸和粘結(jié)參數(shù)的準確性，在校準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驗證了模型的準確性。以最高剪切力作為響應指標，其他設置條件保持不變，如表3所示。
試驗結(jié)果如圖7所示，花絲堆積角試驗的相對誤差為3.19%，剪切試驗的最大剪切力相對誤差為5.29%。紅花的離散元仿真參數(shù)標定準確，為紅花離散元仿真研究和關(guān)鍵部件設計提供參考。
新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學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基金（批準號：52265041和31901417）的支持以及新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室的幫助。
