由于棉秆具有硬度大、纤维多以及含水率低的特点，其结构和力学特性相较于其他农作物秸秆有较大差异，导致膜秆混合物在切碎过程中易出现秸秆切碎不均、切碎阻力较大等问题，严重制约了膜秆混合物机械化切碎、分离技术的发展。因此，膜秆混合物中棉秆的生物力学特性分析对于膜秆混合物切碎、分离机理的研究和相应装备的开发具有重要的参考意义。目前机收膜秆混合物中棉秆的生物力学特性以及非线性破坏力学和变形破坏机理研究较少，机收膜秆混合物中棉秆受力变形过程的微观力学建模与仿真分析尚属于空白。
近日，bat365在线平台网站机电工程学院谢建华教授团队在Scientific Reports发表了题为“Discrete element modeling and experimental study of biomechanical properties of cotton stalks in machine-harvested film-stalk mixtures”的研究论文。采用仿真试验和物理试验相结合的方法，对棉秆的生物力学特性进行了分析和研究，并通过物理试验测试结果，分析棉秆在拉伸、压缩、弯曲以及剪切作用下的力学特性，利用PFC3D仿真软件建立棉秆的离散元模型，并根据物理试验结果，对棉秆离散元模型的细观参数进行了标定，为膜秆混合物的切碎机理分析、切碎装备的设计提供理论基础，同时也为其他茎秆类物料的离散元建模、生物力学特性的分析提供参考。
图1 棉秆力学试验及F-x曲线
通过万能材料试验机对膜秆混合物中的棉秆进行了拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，通过试验结果分析，得到了棉秆的力学变化规律以及在不同加载方式下的F-x曲线变化规律。
对棉秆离散元模型中的最佳仿真参数组合进行了压缩验证试验、三点弯曲验证试验以及剪切验证试验，并提取相应的F-x曲线，试验结果表明仿真试验和物理试验过程中棉秆的破坏特性是一致的，各项参数选标定的方法合理，所得到的棉秆离散元模型可以准确地表征棉秆的生物力学性能。
图2物理试验与仿真试验中棉秆的压缩变形过程及F-x曲线
图3物理试验与仿真试验中棉秆的压缩变形过程及F-x曲线
图4物理试验与仿真试验中棉秆的剪切变形过程及F-x曲线
bat365在线平台网站机电工程学院谢建华教授为通讯作者，博士研究生张佳为第一作者。该研究得到自治区重点研发专项（2022B02046、2022B02017-3）、自治区研究生科研创新项目（XJ2024G104）的支持。
