红花是世界范围内广泛种植的经济经济作物，用途广泛，包括食品、药材、纺织印染等。中国新疆因其独特的地理和气候条件，红花资源丰富，种植面积近4万hm2。目前，红花收获机械的研究已取得进展，特别是末端执行器的研究，但红花丝质地柔软、形态复杂，其生物力学特性很难用牛顿力学试验分析，导致红花采收相关执行器参数的设定缺乏依据。解决这个问题的一个可能的方法是使用离散元模拟来研究红花的微观机制。因此，建立红花离散元模型可以加快对其生物力学特性的深入探索，并为相应机械的设计提供理论依据。
近日，世界杯投注地址机电工程学院张振国副教授团队在International Journal of Agricultural and Biological Engineering在线发表一篇题为"Discrete element modeling and parameter calibration of safflower biomechanical properties"的研究论文。
该研究提出了一种红花仿真参数的校准方法。首先，通过测量红花的几何参数、密度、泊松比和弹性模量等内在参数，建立了离散元模型。其次，结合物理和仿真试验来校准接触和粘结参数。在接触参数试验中，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型来进行红花花丝的堆积角试验，通过Regular two-level factorial design来确定重要因素并进行最陡爬坡试验。此外，采用Box-Behnken design来获得最佳接触参数。在粘结参数试验中，采用Hertz-Mindlin with bonding模型进行红花剪切试验，并通过the central composite design获得了最佳粘合参数。
红花接触参数通过花丝堆积角试验验证。 试验在万能试验机（深圳市锐格尔仪器有限公司研制）上进行，采用钢筒（直径50mm，高300mm），倒入250mL红花丝。万能试验机控制气缸以0.1m/s的速度缓慢上升，红花丝通过重力向下流动，形成花丝堆。使用高清相机拍摄红花丝堆叠的前视图像（图1a）。 为了减少测量误差，利用MATLAB软件测量花丝堆夹角。 首先，从初始图像中截取图像的左半部分（图 1b）并进行二值化（图 1c）。 接下来，提取图像边界点以获得边界曲线，并拟合线性方程（图1d），得到以下方程yc= 0.632x - 1.046，测量得出花丝堆积角夹角为32.29°。重复试验五次后，测得平均堆叠角为30.80°。
建立精确的花丝3D模型是验证红花接触参数的基础。根据自然生长状态和实际收获过程建立了丝状模型。 单个细丝的损坏分为三种典型的细丝形态：完整的细丝（图2a）、受损的细丝（图2b）和残缺的细丝（图2c）。
建立与堆积角试验相同的虚拟圆柱体（内径50mm、高300mm），圆柱体材料属性为钢，钢材料参数直接从EDEM软件素材库中提取：钢泊松比µs为0.3、密度ρs为7900 kg m-3和剪切模量Gs为7.94×1010 Pa。并在圆柱体顶部设置颗粒工厂，结合离散元仿真中农业物料和花类物料离散元仿真参数，确定花丝接触参数的取值范围如表1所示。
将圆柱体的顶部添加到虚拟表面并设置为粒子工厂，花丝颗粒在速度、总量和时间条件分别为0.5 m/s、0.2 kg和0.65 s下动态生成。以表1中最高值作为仿真试验参数，使用与物理测试中相同的方法测量灯丝模拟堆叠角度（图2a-d）。 最终得到相应的仿真拟合方程ycs=0.723x+1.331，测得模拟堆叠角度为35.87°
红花颈缩是指丝簇溢出的形成，反映了红花的主要生物力学特征。红花粘结参数通过质构仪进行缩颈剪切测试获得。质构仪设置初始力为50 N，速度为20 mm/min，返回速度为20 mm/min，返回距离为30 mm，如图4所示。最大剪切力为58.27 N，十组样品的平均剪切力为43.36 N。
红花的基本形态如图5a所示，使用SolidWorks 2022绘制出红花的三维模型，将红花缩颈抽出的单个花丝模型由花丝柱组成，从果球顶部长出呈伞状，底部花丝簇粘合在一起，形成红花缩颈，绘制三维模型如图5b所示。将三维模型保存为 .igs 格式导入EDEM2020软件，使用快速填充方式生成红花离散元模型，如图5c所示。
结合离散元仿真中农业物料和花类物料离散元仿真参数，将红花的法向和切向接触刚度数值在108 pa~1010 pa，临界法向和切向应力数值在1 Mpa~100 Mpa，粘结键半径数值在0.2~0.4，粘结参数取值范围如表2所示。
根据红花物理剪切试验，如图6a所示。经过堆积角试验确定好红花接触参数后，建立与质构仪剪切试验相同的虚拟三维刀座和刀具模型(材料属性为钢材料)，进行离散元仿真剪切试验标定红花粘结参数，如图6b所示。设置刀具初始速度20 mm/min、剪切距离35 mm。
为了验证接触和粘结参数的准确性，在校准红花接触和粘合参数的最佳组合后，通过物理和模拟剪切试验验证了模型的准确性。以最高剪切力作为响应指标，其他设置条件保持不变，如表3所示。
试验结果如图7所示，花丝堆积角试验的相对误差为3.19%，剪切试验的最大剪切力相对误差为5.29%。红花的离散元仿真参数标定准确，为红花离散元仿真研究和关键部件设计提供参考。
世界杯投注地址机电工程学院张振国副教授为论文的第一及通讯作者，2022级硕士研究生曾超等为主要完成者。该研究得到了国家自然科学基金（批准号：52265041和31901417）的支持以及新疆智能农业装备重点实验室的帮助。
