建立颗粒配合模型研究及其在颗粒饲料中的应用

为什么保护微小饲料颗粒很重要

在现代农场和鱼苗场，动物饲料常以小而致密的颗粒形式出现，便于运输、储存和消化。但当这些颗粒在管道、输送机和喂料器中移动时，会发生开裂并崩解成粉末。过多的细粉会浪费昂贵的营养成分，损害动物健康，并污染环境。本研究提出了一个看似简单的问题：这些颗粒究竟如何破碎——以及计算机模型能否帮助我们设计更温和的设备和更坚韧的颗粒？

从完整颗粒到隐藏的裂纹

研究者将注意力集中在仔猪饲料颗粒上，这类颗粒代表了畜牧和水产用产品的典型形态。尽管肉眼看上去是完整的固体，但其内部结构实际上是由许多微小颗粒紧密压实而成。当机械挤压或冲击它们时，损伤从微观裂纹和颗粒间连接断裂开始，在颗粒明显碎裂之前就已发生。由于难以直接观察这一过程，工程师们越来越多地转向数字工具，在虚拟实验中追踪每一粒微小颗粒的行为。

构建单颗粒的数字孪生

为使虚拟颗粒更接近真实，团队首先在实验室测量了真实颗粒的尺寸、重量、密度、含水量以及在缓慢单向压缩下的抗压强度。然后，他们在专用软件中将单个颗粒重建为由数百个小球组成的簇，每个小球通过不可见的粘结键连接到相邻颗粒。这些粘结键代表材料内部的实际结合。通过精细调整少数关键参数——粘结的刚度以及断裂前的强度——研究者将计算机模型调谐到其模拟压碎试验在大部分加载范围内与实验得到的力-变形曲线相匹配，误差约在10%以内。这一步实际上为他们提供了一个校准过的仔猪颗粒“数字孪生”。

在虚拟冲击装置中旋转颗粒

在模型颗粒获得验证后，团队从缓慢压缩转向快速冲击，以模拟真实饲料处理系统中的情况。他们构建了离心冲击装置的计算机版本：一个旋转叶轮将颗粒向外甩到固定的冲击环上。随着旋转速度的增加，碰撞速度和每个颗粒承受的能量也随之上升。在模拟中，监测了每个颗粒内部的粘结：当粘结断裂时，颗粒会破碎成较大的碎块和细粉。断裂粘结的比例提供了微观损伤的度量，同时研究者也进行了物理冲击试验以称量实际的破碎物质。在500到1500转每分钟的速度范围内，模拟得到的粘结断裂比例和实测的质量损失均稳步上升，且两者几乎完全一致。

冲击角度如何改变破碎模式

团队进一步探讨了颗粒撞击冲击环的角度如何影响损伤。正面撞击时，颗粒主要承受正向压缩；在更浅的角度下，颗粒受到更多侧向推力并倾向于旋转。模拟显示，破碎量并非随角度简单增减，而是在中间角度达到峰值：约75度。在该角度下，正向和侧向载荷共同作用，使颗粒在受力状态下持续更长时间，从而在内部产生更多裂纹。更陡或更浅的角度下，更多的碰撞能量要么被弹性反弹掉，要么转化为旋转和滑动，从而导致更少的碎裂。

对更好饲料与更温和设备的启示

简而言之，这项研究表明，一个调校良好的单颗粒计算模型可以可靠地预测真实颗粒在高速设备中如何崩解。通过将不可见的内部粘结失效与可见的破碎量联系起来，这项工作为饲料生产者和设备设计者提供了实用工具。他们现在可以在虚拟环境中探索配方、含水量或设备参数（如叶轮转速和冲击角度）的变化如何影响颗粒耐久性，而无需为每种方案都进行实体建造和测试。这类虚拟测试能够指导更坚固颗粒和更温和的处理系统的设计，从而减少浪费并提升动物生产的效率与可持续性。

引用: 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

关键词: 颗粒饲料破碎, 离散元建模, 离心冲击试验, 散体材料, 动物饲料工程