具有药食同源功能的麻山药,广泛种植于河北、河南、山东等地。目前,麻山药收获主要通过开沟、输土、土垡分离、振动松土、人工拔取的方式收获。麻山药收获难度大、劳动强度大、生产成本高、破损率大等问题一直影响着种植户的收益。近年来,部分学者和企业技术人员对山药收获机械进行了相关研究及结构优化设计,但仍然不理想。究其原因,是缺乏对麻山药根茎-土壤-机具相互作业机理的深入研究。为此,本文以麻山药根系形态特征和力学特性、麻山药种植区域土壤力学特性、毛细根-土壤复合体力学特性为目标,实现了对麻山药根茎、麻山药种植区土壤、麻山药毛细根-土壤复合体等关键参数的标定,建立了麻山药根土复合体仿真模型,为设计和优化麻山药收获机具提供理论参考。通过对麻山药的力学性能试验,得到了麻山药轴向极限压力值、径向压溃极限压力值和三点弯曲极限压力值为。采用EDEM中的黏结模型,基于结构化网格坐标和双峰模型分别对麻山药表皮和芯部进行离散元仿真建模,通过Design-Expert设计试验及其结果优化功能,以轴向压缩极限压力值、径向压溃极限压力值和弯曲极限压力值对麻山药黏结参数进行标定,标定结果为:法向刚度=8.0684×107N·m-3、切向刚度=2.0314×107N·m-3、临界法向应力=1.2876×107 Pa、临界切向应力=8.9623×107 Pa。冲击验证试验表明:麻山药仿真模型受到冲击载荷速度分别为1.40、1.98、2.43、2.80、3.13 m/s 时,对应的仿真误差分别为 8.63%、10.50%、12.79%、15.63%、19.89%。通过土壤剪切试验,对麻山药种植区土壤力学特性进行测定,得到土壤极限剪力值。通过筛选试验,得到影响土壤仿真模型极限剪力的显著因素为:黏结刚度、土壤剪切模量、土壤-土壤滚动摩擦系数;通过最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,以实测土壤剪力值为目标,对土壤仿真模型进行了优化,优化结果为:剪切模量=4.5600×106Pa、土-土滚动摩擦系数=0.173、黏结刚度=5.2033×105N。基于优化参数,建立了麻山药种植区土壤仿真建模,通过仿真试验与田间试验阻力对比得到仿真误差为2.06%。通过对麻山药毛细根-土壤复合体的极限剪力进行测量和回归分析,得到麻山药四个毛细根形态学指标与麻山药毛细根-土壤复合体极限剪力的关系;基于灰色关联分析法,分析得到麻山药四个毛细根形态学指标与麻山药毛细根-土壤复合体极限剪力的关联度。通过测量计算得到麻山药毛细根-土壤复合体的黏结参数为:法向刚度5.203 3× 105N·m-3、切向刚度=2.493 8× 106N · m-3、临界法向应力为 1e+105Pa、临界切向应力为5.3 1 9 0× 105 Pa。跌落试验表明,根土复合体仿真模型误差为15.11%。通过分析土壤破碎机理,建立了水平和垂直激励下麻山药根土复合体力学模型。通过水平、垂直、二维激励仿真试验,得到水平、垂直、二维激励下麻山药仿真模型的黏结断开率最优值分别为:5.27%、4.04%、9.05%,根土复合体的土壤脱净率最优值分别为:55.03%、67.10%、72.09%。以麻山药仿真模型的黏结断开率最低和根土复合体的土壤脱净率最高为目标,优化得到二维振动下频率和振幅分别为:9.39 Hz和30.12 mm。