Исследование по созданию связанной модели частиц для гранул корма и её применению

Почему важно защищать мелкие кормовые гранулы

На современных фермах и рыбоводных хозяйствах корм для животных часто поставляется в виде маленьких плотных гранул, которые удобно транспортировать, хранить и переваривать. Но по мере того как эти гранулы проходят по трубам, конвейерам и кормушкам, они трескаются и превращаются в пыль. Избыточное количество мелкой фракции может привести к потере дорогих питательных веществ, ухудшению здоровья животных и загрязнению окружающей среды. В этом исследовании ставится, казалось бы, простой вопрос: как именно разрушаются эти гранулы — и могут ли компьютерные модели помочь спроектировать более бережное оборудование и более прочные гранулы?

От целой гранулы к скрытым трещинам

Исследователи сосредоточились на гранулах корма для поросят, типичных для продукции, используемой в животноводстве и аквакультуре. Хотя эти гранулы выглядят цельными невооружённым глазом, их внутренняя структура представляет собой упакованную массу мелких частиц, сжатых друг к другу. Когда техника сдавливает или ударяет их, повреждения начинаются с микротрещин и разрывов связей между частицами задолго до того, как гранула визуально рассыплется. Поскольку наблюдать этот процесс напрямую сложно, инженеры всё чаще обращаются к цифровым инструментам, отслеживающим каждую мельчайшую частицу в виртуальном эксперименте.

Создание цифрового двойника отдельной гранулы

Чтобы виртуальные гранулы были правдоподобными, команда сначала измерила реальные в лаборатории: их размер, массу, плотность, влажность и усилие, требуемое для медленного одностороннего дробления. Затем они воссоздали одну гранулу в специализированном программном обеспечении как кластер из сотен маленьких сфер, каждая из которых «склеена» с соседями невидимыми связями. Эти связи заменяют реальные внутренние сцепления в материале. Тщательно подбирая несколько ключевых параметров — жёсткость связей и прочность до разрыва — исследователи откалибровали модель, пока её имитация испытания на сжатие не совпала с экспериментальными кривыми силы и деформации примерно в пределах десяти процентов на большинстве участков нагружения. Этот шаг фактически дал им откалиброванный «цифровой двойник» гранулы для поросят.

Вращение гранул в виртуальном ударном стенде

После валидации модели гранулы команда перешла от медленного сжатия к быстрым ударам, имитируя то, что происходит в реальных системах обращения кормов. Они создали компьютерную версию центробежного ударного устройства, где вращающийся импеллер выбрасывает гранулы наружу против неподвижного кольца. С ростом скорости вращения увеличиваются скорость столкновения и энергия, передаваемая каждой грануле. В симуляции отслеживались внутренние связи каждой гранулы: при их разрушении гранула дробилась на крупные фрагменты и мелкую пыль. Доля разрушенных связей служила микроскопической мерой повреждения, а исследователи также проводили физические ударные испытания, чтобы взвешивать фактически разрушенный материал. В диапазоне скоростей от 500 до 1500 оборотов в минуту как доля разрушенных связей в симуляции, так и измеренная потеря массы последовательно увеличивались и практически идеально соответствовали друг другу.

Как угол удара меняет картину разрушения

Далее команда изучила, как угол, под которым гранулы сталкиваются с ударным кольцом, влияет на повреждения. При лобовом ударе гранулы испытывают преимущественно компрессию; при более пологих углах их сильнее толкают вбок, и они склонны к вращению. Симуляции показали, что разрушение не просто увеличивается или уменьшается с изменением угла: оно достигает максимума при промежуточном значении — около 75 градусов. При таком угле нагрузка сочетает в себе лобовые и боковые компоненты, удерживает гранулу в напряжённом состоянии дольше и прокладывает больше трещин внутри. При более острых или более пологих углах большая часть энергии удара либо отскакивает упруго, либо превращается в вращение и проскальзывание, что даёт меньше фрагментации.

Что это значит для лучших кормов и более щадящих машин

Проще говоря, исследование показывает, что хорошо настроенная компьютерная модель отдельной гранулы может достоверно предсказывать, как реальные гранулы будут крошиться в высокоскоростном оборудовании. Связывая невидимые разрушения внутренних связей с видимым объёмом разрушений, работа предлагает практический инструмент для производителей кормов и проектировщиков оборудования. Теперь они могут исследовать, как изменения в рецептуре гранул, влажности или параметрах машин — таких как скорость импеллера и угол удара — повлияют на прочность, не создавая и не испытывая каждую конфигурацию физически. Такой виртуальный отбор может направить разработку более прочных гранул и более щадящих систем обращения, сокращая потери и повышая эффективность и устойчивость животноводства.

Цитирование: Liu, Z., Kong, X., Wang, W. et al. Research on establishment of bonded particle model for pellet feed and its application. Sci Rep 16, 13224 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43893-y

Ключевые слова: измельчение гранул корма, модель дискретных элементов, центробежные ударные испытания, сыпучие материалы, инженерия кормов для животных