番茄果实灌溉诱导内压变化的果皮开裂行为模拟与生物力学机制解析

为解决番茄果实因灌溉导致内压骤变引发果皮开裂的难题，研究人员采用扩展有限元法(XFEM)建立番茄果皮开裂模型，模拟内压变化(峰值3.5 MPa)下的裂纹扩展行为，揭示果皮厚度、弹性模量(Eex)、断裂应力(σex)等关键参数对开裂的影响规律，为优化灌溉管理提供力学依据。

　　

番茄作为全球重要的经济作物，其果实开裂问题每年造成数十亿美元损失。果实含水量高达93-95%，使得灌溉管理成为双刃剑——合理灌溉提升品质，但异常灌溉（如干旱后突灌）会导致果实内压（turgor pressure）剧增，引发从微裂纹到宏观开裂的级联反应。传统研究多关注环境因素与开裂率的宏观关联，或局限于外力损伤模拟，对灌溉-内压-果皮失效的力学机制缺乏定量解析。

为此，Yong Chen团队在《Smart Agricultural Technology》发表研究，首次建立番茄果皮扩展有限元模型(XFEM)，通过压缩实验预测初始内压(0.22 MPa)，结合振幅曲线模拟灌溉引发的压力动态变化(峰值3.5 MPa)，量化裂纹扩展规律。研究采用3D数字成像记录真实裂纹，通过Abaqus 6.20/CAE构建包含预置裂纹的果皮模型，利用Phantom节点法模拟裂纹沿任意路径扩展，结合协方差分析解析6大影响因素。

2.1 材料

选用普罗旺斯品种番茄，设置15种灌溉处理（频率1-13天/次，水量50-150% ET_c），筛选开裂率最低的C3组（5天/次，50% ET_c）进行力学测试。

2.4 力学实验

纹理分析仪测定果实压缩特性（5%变形量），拉伸试验获取果皮断裂应力(1.24±0.11 MPa)、弹性模量(7.29±0.89 MPa)等参数，预置裂纹样本计算断裂能(2.61±0.59 mJ/mm²)。

2.5 有限元建模

旋转建模构建3D果皮几何体，采用C3D8R单元划分网格（11.4万单元）。通过幅值曲线P(t_s)=3.5(t_s/t₁)³(10-15t_s/t₁+6(t_s/t₁)²)模拟内压非线性增长，基于最大主应力准则(σ_exmax≥1.24 MPa)和断裂能准则(G_e≥G_f)触发裂纹扩展。

3.1 模型验证

模拟显示：内压3.5 MPa时裂纹长度71.46 mm，与实测值(69.31±10.23 mm)误差仅3.37%，验证模型准确性。应力云图显示裂纹优先在肩部扩展，与田间观察的环状开裂特征一致。

3.2 参数敏感性

弹性模量影响最显著：E_ex=9.48 MPa时的裂纹体积是5.10 MPa的1.52倍；而断裂应力σ_ex=0.87 MPa时的裂纹长度是1.61 MPa的2.03倍。内压峰值每增1 MPa，裂纹长度增加10.94 mm。

3.3 开裂特征

果肩裂纹扩展速度比脐部快44%，双裂纹系统的破坏体积是单裂纹的1.6倍。0.1 mm薄果皮比0.2 mm厚果皮裂纹长度增加12%，印证抗裂品种的果皮厚度优势。

3.4 数学模型

建立开裂体积V_total=4.45-9.63b_crack+0.62E_ex-0.56σ_ex+1.02P_peak的预测方程(R²=0.90)，定量揭示果皮厚度(b_crack)的负向调控作用。

该研究首次将灌溉生理过程转化为可量化的力学参数，证明XFEM可精准模拟内压驱动的生物组织断裂行为。发现果皮弹性模量和厚度是抗裂育种的关键指标，为制定"力学适配"的灌溉方案提供理论依据。模型通用性强，可拓展至其他果蔬采后机械损伤研究。