【文献速递】高含水玉米粒果核断裂过程模拟分析

玉米作为全球重要的粮食和经济作物，其机械化脱粒是实现高效生产的关键环节。然而，脱粒过程中的籽粒高损伤率长期制约着玉米产业的可持续发展。传统机械脱粒方法（如冲击、摩擦、挤压）虽然效率较高，但在高水分含量玉米脱粒过程中容易导致籽粒损伤率显著增加，进而引发种子活力下降与贮藏难题。据统计，中国玉米年种植面积约1249.35万平方公里，庞大的生产规模对低损伤脱粒技术提出了迫切需求。特别是种子玉米与商品玉米对机械损伤的耐受性存在显著差异，优化脱粒工艺对提高种子质量和提升商品玉米加工效率均具有重要意义。

近年来，围绕玉米低损伤脱粒的研究涌现出多种技术路径：仿生脱粒设备通过模拟自然脱粒机制降低冲击力；柔性脱粒方法利用可变刚度材料减轻机械挤压；针对高水分玉米的弹性结构设计和圆锥滚筒理论亦取得进展。然而，现有研究多聚焦于设备结构的优化改良上，对籽粒与穗轴的连接机制（特别是果柄断裂的力学特性）仍缺乏系统性分析。高水分玉米的果柄纤维连接强度与断裂模式尚未明晰，制约着低损伤脱粒理论的深化与应用。

本研究围绕玉米脱粒过程中的果柄断裂这一核心问题，提出多维度实验与仿真结合的研究框架。研究团队选取"博云88"和"郑单958"两个玉米品种，采用纹理分析仪测定果柄三轴断裂力参数，并借助CT扫描技术揭示了果柄-穗轴连接的锥形纤维结构特征。另外通过Solidworks建立三维模型并导入ANSYS/LS-DYNA模拟断裂过程，首次将焊点接触模型用于果柄连接应力分析，揭示了径向拉伸应力（10.52N）显著高于轴向（2.35N）与切向剪切力（3.39N）的力学本质。研究还通过高速摄影追踪离散试验台的动态脱粒过程，发现玉米籽粒挤压引发的力链沿周向扩散呈“梯形”传递规律。这一多尺度研究方法不仅阐明了果柄断裂的微观力学响应，更为降低籽粒损伤的脱粒装置设计提供了从理论到实践的完整技术路径。

为了精确解析高水分玉米籽粒果柄与穗轴的连接结构特征及其断裂机理。研究者利用生物科技有限公司SkyView小动物活体CT多模态融合成像系统对玉米果座进行了扫描成像，并三维重构了“博云88”和“郑单958”两个玉米品种的果柄-穗轴界面微观形貌，结果显示：果柄呈近似锥形纤维状结构，与穗轴通过密集的有机纤维束连接，界面接触面积较小（博云88约为3.15 mm2，郑单958约2.73 mm2），这一连接特性导致外部载荷作用下应力分布高度集中，呈现渐进式分层断裂模式。此外，扫描影像清晰显示果柄基部存在阶梯状分层结构，此特殊形态解释了轴向与切向剪切力下断裂力显著低于径向拉伸的现象（径向断裂力10.52N，轴向2.35N）。这些结构特征为后续Solidworks建模中果柄简化为四焊点连接的棱柱体模型提供了直接解剖学依据，并证实径向施力方向更易触发果柄全界面均匀断裂，为低损伤脱粒设备的力学优化（如楔形凸起角度设计）奠定了关键结构生物学基础。