《Smart Agricultural Technology》：DEM-Driven Flexible Breakable Weed-Soil Multiphase Coupling Model: Optimizing Maize Weeding Performance for Shield-Cutting End-Effector
编辑推荐：
为解决传统机械除草在玉米3-5叶期作业阻力大、除草率不高的技术瓶颈，研究人员围绕盾式切刈末端执行器（SEMIW）的除草部件，首次建立了一个集成柔性可破断杂草、土壤与除草刀的多相耦合DEM模型。通过二次旋转正交组合试验优化了切割角、离地间隙和转速等关键参数。在最优参数下，除草率提升9.6%至98.66%，除草刀单刃受力降低63.4%至1.832 N。田间验证除草率达91.13%，表明该模型及优化方法为智能玉米除草装备开发提供了可靠的参数优化框架。
想象一下这样的场景：在广袤的华北玉米田里，当玉米苗刚刚长出3到5片嫩叶，正是决定未来收成的关键时期。与此同时，一种名为“打碗花”（Calystegia hederacea）的杂草也正疯狂生长，它们匍匐在地，与玉米苗激烈争夺阳光、水分和养分。此时若不能有效除草，玉米产量将遭受严重损失。然而，传统的机械除草方式却面临两大难题：一是除草部件需要插入土壤深处，导致末端执行器承受巨大的土壤贯入阻力，这是作业阻力的主要来源，锄头在遇到硬茬、石块时还容易断裂损坏；二是除草效果严重依赖于机具前进速度与刀具转速的严格匹配，难以兼顾对行和株间的同时除草。这些问题不仅效率低下，也制约了现代精准、可持续农业管理的发展。
为了破解这些困局，由李蕴祥、曲音松、杨洁和吕月祖组成的研究团队，将目光投向了一种不与土壤表面接触的盾式切刈末端执行器（Shield-Cutting End-effector for Maize Inter-row/Intra-plant Weeding, SEMIW），并运用离散元法（Discrete Element Method, DEM）对其除草刀的结构和作业参数进行优化。他们的核心目标是，在降低除草刀单刃受力（小于5 N）的同时，将除草率提升至90%以上，从而为提升玉米除草机器人的作业效率奠定坚实基础。这项研究成果最终发表在了《Smart Agricultural Technology》期刊上。
为了达成目标，研究人员运用了多项关键技术方法。首先，他们在华北玉米田进行了系统的田间调查，精准测量了优势杂草打碗花在3-5叶期的形态参数。其次，他们创新性地建立了一个“柔性可破断”的杂草-土壤耦合DEM模型，这克服了传统DEM模型将杂草视为不可切割刚体的局限。该模型通过SolidWorks构建三维模型，在Ansys Workbench中进行网格划分，利用Fluent软件进行粒子工厂编译，并最终在EDEM软件中，采用Bonding V2接触模型为粒子添加属性和物理相互作用，从而能够真实模拟杂草茎秆在机械切割过程中的柔性变形和断裂行为。在此基础上，他们设计并执行了二次旋转正交组合仿真实验，系统地分析了切割角、离地间隙和转速三个关键参数对除草刀受力和除草率的协同影响。最后，他们将仿真优化得到的最佳参数组合，在位于北京的中国农业科学院试验田进行了实地验证，以检验模型的可靠性和优化参数的实用性。
研究结果
1. DEM模拟除草过程与分析
通过对17组离散元仿真操作的观察，研究人员将除草过程清晰地划分为四个阶段：除草刀与杂草茎秆开始接触、杂草随除草刀运动直至达到弹性变形极限、杂草发生塑性撕裂、以及除草刀最终切断杂草。以第11组实验（切割角30°，离地间隙1 mm，转速180 rpm）为例的力云图动态展示了这一过程。初始接触时，茎秆粒子受力较小呈蓝色；随着除草刀旋转，茎秆被拉伸至弹性变形极限，受力区域主要变为红色，局部呈绿色，总受力达到弹性变形过程中的线性增长最大值；当旋转切割力超过茎秆强度极限，茎秆粒子开始撕裂，受力区域出现亮红色；最终，黄色区域内的茎秆粒子在切割作用下断裂，子叶与茎秆分离，断裂处受力逐渐减小，颜色由红转绿。这一模拟生动再现了真实切割中的力学行为。
2. 回归模型构建
基于仿真实验数据，研究团队构建了关于除草刀受力（RWB）和除草率（WCR）的二次多项式回归模型。方差分析（ANOVA）结果显示，两个回归模型均高度显著。对于RWB，离地间隙和转速具有高度显著影响，切割角及三因素间的交互作用也显著，其影响顺序为离地间隙 > 转速 > 切割角。对于WCR，仅离地间隙具有高度显著影响。
3. 单变量对测试指标的主效应分析
- •
切割角的影响：除草刀受力随切割角增大而逐渐减小。原因是较大的切割角增加了刀口与杂草茎秆的接触面积，使应力分布更均匀，缓解了应力集中现象。但较小的切割角因其线性接触方式，能实现快速剪切，形成规则断面，除草效率更高。
- •
离地间隙的影响：离地间隙与除草刀受力、除草率均呈显著负相关。间隙越大，杂草茎秆越分散，除草刀难以同时切割所有茎秆，且高位茎秆摆动空间大，有助于缓解瞬时应力，因此受力减小。但同时，过大的间隙会导致低位茎秆漏割，或茎秆从刀口下方滑过，从而显著降低除草率。
- •
转速的影响：转速与除草刀受力正相关。转速增加，除草刀与杂草茎秆碰撞产生的冲击载荷增大，导致受力增加。此外，在驱动电机功率固定的情况下，降低转速可增加输出扭矩，从而增强除草刀的驱动力，因此转速宜设置在较低水平。
4. 多元因素对性能指标的协同交互效应
研究还发现，在固定转速下，离地间隙增大总能降低除草刀受力；在固定离地间隙下，切割角增大也能降低受力；而在固定切割角下，转速增大会导致受力增加。这些交互作用揭示了参数间复杂的协同关系。
5. 基于回归模型确定优化参数
以满足“除草率≥90%，同时尽可能降低除草刀受力”的农艺要求为目标，通过优化求解，得到了最优参数组合：切割角20°、离地间隙2.7 mm、转速60 rpm。在此条件下，模型计算的除草率高达100%，除草刀受力为1.995 N，置信水平为0.909。验证结果表明，实际仿真除草率达到98.66%，除草刀受力为1.832 N，均落在模型的置信区间内。
6. 田间验证实验
2025年5月6日，研究团队在北京中国农业科学院试验田，使用SEMIW测试平台，在仿真优化的参数组合下进行了田间除草验证。结果显示，平均田间除草率达到91.13%（变异系数2.84%），虽然略低于仿真值，但落在了仿真模型95%的置信区间内。计算得到模型的相对误差为7.63%，平均绝对误差为7.53%，处于农业离散元仿真研究的合理误差范围内。这证实了所构建的DEM模型具有较高的准确性，且优化参数在实际田间条件下稳健、可用，完全满足了华北玉米田除草（除草率>90%，除草刀受力<5 N）的农艺要求。
研究结论与意义
本研究的核心结论是，通过建立DEM驱动的柔性可破断杂草-土壤耦合模型，并系统优化关键作业参数，成功解决了SEMIW末端执行器在玉米3-5叶期除草作业中阻力过大和效率不足的难题。具体而言：
- 1.
模型创新：成功建立了能够准确模拟杂草柔性变形与断裂行为的DEM耦合模型，为除草动力学仿真提供了可靠工具。
- 2.
参数优化：量化了切割角、离地间隙和转速对除草性能的协同影响，确定了最优参数组合（切割角20°、离地间隙2.7 mm、转速60 rpm）。仿真结果显示，在此参数下，除草率提升9.6%至98.66%，除草刀单刃受力降低63.4%至1.832 N。
- 3.
实践验证：田间试验的除草率达91.13%，满足农艺要求，验证了模型和优化参数的可靠性。该研究实现了离散元仿真与田间应用的有效衔接。
这项研究的意义重大。它不仅为SEMIW盾式切刈末端执行器的设计与优化提供了直接、实用的技术方案和参数依据，大幅提升了其作业性能和使用寿命，更重要的是，其所建立的杂草模型构建方法和多参数协同优化框架，具有可复现性和可迁移性。其他研究人员可以借鉴或调整该模型，用于优化其自行设计的除草机构参数，从而为推动智能玉米除草乃至更广泛的智能农业装备的开发，提供了坚实的技术支撑和宝贵的理论参考。
