基于离散元法的西兰花幼苗茎秆物理力学参数标定及其在机械化移栽损伤控制中的应用研究

《Scientific Reports》：Calibration of physical and mechanical property parameters of broccoli seedling stalks

针对西兰花机械化移栽中夹持损伤问题，研究人员通过离散元法构建粘结V2颗粒黏附模型，采用Plackett-Burman实验与最陡爬坡实验筛选关键参数，结合Box-Behnken设计标定出最优粘结参数（法向/切向刚度2.014×109/1.00×109N·m?3，临界应力1.00×106Pa，粘结半径0.435 mm）。经夹持变形试验验证，模拟与实测变形误差均低于12%，为移栽机夹持机构设计提供了精准参数依据。

　　

随着现代农业机械化程度的提升，蔬菜幼苗移栽环节的自动化设备应用日益广泛。然而，在西兰花幼苗机械化移栽过程中，夹持装置易对脆嫩的茎秆造成损伤，影响幼苗成活率和生长一致性。这一问题的核心在于缺乏对幼苗茎秆物理力学特性的精准模拟，导致夹裁设备设计参数与生物材料实际力学行为不匹配。为解决这一难题，研究团队以“艳修”品种西兰花幼苗为对象，开展茎秆力学参数标定研究，成果发表于《Scientific Reports》，为精细化农业装备研发提供了新思路。

本研究主要采用离散元法构建粘结V2颗粒黏附模型，通过Plackett-Burman实验筛选出6个接触参数和5个黏附参数作为关键变量，利用最陡爬坡实验确定参数优化区间，再通过Box-Behnken设计建立剪切力与粘结参数的二次回归模型，最终以夹持变形试验验证模型准确性。试验样本为30-40日龄的“艳修”西兰花幼苗，茎秆含水率75.27-78.73%，直径5.5±0.05 mm。

参数敏感性分析与优化区间确定

通过Plackett-Burman实验发现，法向接触刚度、切向接触刚度和粘结半径对剪切力影响最为显著。最陡爬坡实验表明，当法向接触刚度接近2.0×10⁹N·m^?3、切向接触刚度接近1.0×10⁹N·m^?3时，剪切力响应进入稳定区间。

粘结参数标定与模型验证

Box-Behnken设计建立的二次模型显示，粘结半径0.435 mm时模型拟合度最佳。在10 N、15 N、20 N三种夹持力下进行验证试验，模拟与实测茎秆变形量的相对误差分别为8.57%、11.63%和8.93%，证明标定参数能有效预测实际力学行为。

讨论与推广应用价值

研究标定的粘结V2模型参数首次实现了对西兰花幼苗茎秆力学行为的精准模拟，误差控制在工程可接受范围内。该标定方法可推广至其他蔬菜幼苗的力学建模，但需注意参数对品种、含水率、几何尺寸和载荷条件的特异性。成果为移栽机夹持装置的仿生设计提供了量化依据，对降低移植损伤、提升农业自动化质量具有重要意义。