在每年约93.49万吨马铃薯因机械收获受损、经济损失高达300亿元的行业痛点面前，海南大学联合农业农村部热带智能农业装备重点实验室给出了一份精准答案：通过DEM-MBD双向耦合仿真与多目标优化，将马铃薯收获损伤率控制在1.62%，土壤去除效率达97.8%。
一、行业痛点：8%的损伤率与300亿的年损失
马铃薯是全球重要的粮食、经济和饲料作物。2023年，中国马铃薯种植面积达718.5万公顷，产量约9349万吨。然而，机械收获过程中马铃薯损伤率高达8%，按每公斤5元计算，年经济损失约300亿元。
大型马铃薯联合收获机普遍面临一个“两难困境”：要提高薯土分离效率，往往需要更高的输送速度与更强的振动;但过度振动又会导致马铃薯机械损伤加剧。如何在高效分离与低损收获之间找到平衡点，一直是根茎类作物收获装备研发的核心难题。
二、科创亮点：测量–建模–优化–验证的完整技术闭环
2026年2月19日，海南大学信息与通信工程学院、机电工程学院联合农业农村部热带智能农业装备重点实验室在《Agriculture》期刊发表研究，首次提出一套完整的“测量–建模–优化–验证”技术路径。
亮点一：CT实测土壤孔隙度——让仿真模型“有据可依”
研究团队首先对收获期马铃薯田的农艺参数与土壤物理特性进行系统测量：
种植模式：单垄双行，垄高(212±13)mm，垄顶宽(544±38.5)mm，株距(284±27)mm
土壤质地：砂质壤土，含砂量62.57%、粉粒32.6%、黏粒4.83%，含水率25.22%
关键突破：首次将CT扫描实测的土壤孔隙度(13.66%) 作为离散元(DEM)建模的定量约束条件，显著提升了土壤模型对真实土壤结构的代表性
这一步骤至关重要——传统仿真往往采用经验参数随意设定，而本研究让虚拟土壤的微观结构与真实田间土壤高度一致，为后续仿真奠定了科学基础。
亮点二：DEM-MBD双向耦合——同步捕捉颗粒尺度与整机动
研究团队建立了RecurDyn-EDEM双向耦合仿真框架，实现了两大突破：
多体动力学(MBD)：模拟振动链的实时运动轨迹与冲击载荷
离散元(DEM)：追踪土壤团聚体的破碎行为与马铃薯的碰撞跳跃动力学
这种耦合方法的优势在于：两个软件实时交互数据，既能反映振动机构对土壤分离的宏观驱动，又能解析颗粒尺度的微观分离机制，这是传统单一仿真无法实现的。
亮点三：多目标优化——土壤去除率98.43%、损伤率1.60%
通过单因素仿真与中心复合设计(CCD)响应面实验，研究团队识别出影响分离性能的三个主导因素：输送链倾角α、输送线速度Vf、振动频率f。
以马铃薯损伤率与土壤去除效率为双目标，通过多目标优化确定最优参数组合：
| 优化参数 | 最优值 |
|---|---|
| 倾角 α | 18.51° |
| 输送线速度 Vf | 1.995 km/h |
| 振动频率 f | 6.22 Hz |
在此条件下，仿真结果显示：
土壤去除效率：98.43%
马铃薯损伤率：1.60%(最低值)
亮点四：田间验证——1.62%损伤率证实模型可靠性
研究团队在4U-1000型马铃薯联合收获机上进行了实地验证。结果显示：
| 指标 | 田间实测值 | 与仿真对比 |
|---|---|---|
| 平均土壤去除效率 | 97.8% | 高度吻合 |
| 平均损伤率 | 1.62% | 接近最优值1.60% |
这一验证结果证明了DEM-MBD耦合模型的准确性，也为大型马铃薯收获装备的优化提供了可直接工程化的参数模板。
三、经济价值：300亿损失的“技术减法”
按全国马铃薯年产9349万吨、传统损伤率8%估算，每年因机械损伤造成的直接经济损失约300亿元。若将损伤率降至1.62%，意味着：
每吨减少损失63.8公斤
全国年挽回经济损失约238亿元
更重要的是，这一技术路径具备可复制性——研究方法可直接推广至甘薯、胡萝卜、大蒜、花生等根茎类作物的收获装备优化。
四、应用前景：从“经验调参”到“仿真驱动设计”
这项研究的深层价值在于改变农业装备的研发范式。传统收获装备的优化高度依赖田间试验与工程师经验，周期长、成本高、普适性差。而DEM-MBD耦合仿真框架使得：
虚拟试验替代大量田间试验，大幅缩短研发周期
微观机制可视化，揭示损伤发生的物理本质
多目标精准权衡，在分离效率与低损之间找到最优解
研究团队指出，该框架还可进一步集成机器学习算法，实现作业参数的实时自适应调整，为智能收获装备的研发奠定理论基础。
来源：海南大学信息与通信工程学院、海南大学机电工程学院、农业农村部热带智能农业装备重点实验室；作者：Yongfei Pan, Jian Zhang, Ang Zhao, Shiting Lv, Wanru Liu, Ranbing Yang；题目：Dynamic Response Analysis and Multi-Objective Optimization of a Potato–Soil Separation Conveyor Based on DEM–MBD Coupling and Field Validation(基于DEM-MBD耦合的马铃薯–土壤分离输送装置动态响应分析与多目标优化及田间验证)；发表于：Agriculture(MDPI)（2026年2月19日）。
