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Jul 11, 2023

さまざまなシミュレーション方法に基づいて土壌を切削する典型的なロータリー耕うんコンポーネントの接触パラメータを校正する

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5757 (2023) この記事を引用 461 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 このレポートは、アクション下の複雑な土壌移動パターンの問題を分析します。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5757 (2023) この記事を引用

461 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

このレポートは、農業プロセスにおける張力やせん断などの結合力の作用下での複雑な土壌の移動パターンの問題を分析し、回転耕耘機と土壌の相互作用の離散要素シミュレーション研究で使用される接触パラメータの精度を向上させることを目的としています。 本研究は、新疆第8区の石河子綿花畑の土壌に焦点を当て、耕耘機械の土壌接触部品としての回転耕耘ローラーを調査した。 シミュレーションと物理テストを組み合わせて使用​​します。 当社は安息角テストを実行し、エッジ検出、フィッティング、その他の画像処理手法を使用して、土壌堆積を自動的、迅速かつ正確に検出し、土壌粒子との接触パラメータの角度校正を行います。 さらに、土壌と回転ブレードの間の接触パラメータを校正するために土壌滑り試験が実施されます。 物理測定値をターゲットとした直交シミュレーションとボックス・ベンケン応答曲面法に基づいて最適化を実現します。 積層角と転がり摩擦角の回帰モデルを確立して、シミュレーション接触パラメータの最適な組み合わせを決定します。土と土の間では、回復係数は 0.402、静止摩擦係数は 0.621、転がり摩擦係数は 0.078 です。 土壌接触部と土壌間の回復係数は0.508、静摩擦係数は0.401、転がり摩擦係数は0.2となります。 さらに、キャリブレーション パラメータは、離散要素シミュレーションの接触パラメータとして選択されます。 上記の 2 つのシミュレーション手法を組み合わせて、ロトティラーのローラー部分からロトティラーのシングル ブレード部分までの土壌を切断するシミュレーション プロセスを分析および比較することにより、土壌切断プロセスのさまざまな深さでのエネルギー、切断抵抗、および土壌粒子の動きの変化を得ました。 最後に、平均切削抵抗をフィールドテストでの検証の指標として使用しました。 測定値は 0.96 kN で、ディスクリート要素シミュレーションの誤差は 13% です。 これは、校正された接触パラメータの妥当性とシミュレーションの精度を実証し、耕耘装置の部品と土壌の間の相互作用メカニズムの研究、およびこれらの相互作用の設計と最適化の研究に理論的参考と技術的サポートを提供することができます。将来。

機械耕耘・土づくり技術は、農作業における最も基本的な機械化技術です。 また、耕地の品質を向上させるための重要なツールでもあります1,2。 特に、ロータリーカッターローラーは土壌と直接接触しているため、常に作業の品質と効率に影響を与えます。 したがって、土壌接触パラメータを校正および最適化するには、切断シミュレーションの精度を向上させる必要があります。

コンピュータ支援工学設計の発展に伴い、数値シミュレーション手法は農業工学を含むさまざまな分野に継続的に適用されてきました3,4。 数値シミュレーションの主な利点は、複数のフィールド テストを必要とせずに高速な予測を生成できることです5、6。 近年、離散要素 (DEM)7、8 および平滑化粒子流体力学 (SPH)9 法は、農業機械のコンポーネントと土壌粒子の間の相互作用メカニズムを明らかにする上で独特の利点を示しています。 Makange10 は、実際の粘性土壌をシミュレートするために接触モデルに DEM 粒子間の結合要素を導入し、さまざまな速度と深さでのプラウの水平方向と垂直方向の力と土壌の乱れを研究しました。 Kim11 は、農地土壌をモデル化し、さまざまな耕うん深さの牽引力を予測し、仮想ブレードせん断テストを使用して DEM 土壌モデルを校正し、牽引力の予測精度 7.5% で現場テストを実行しました。 AIKINS12は、ヒステリシスばねモデルと線形凝集モデルを統合して、高粘度土壌の静摩擦係数と転がり摩擦係数を校正し、トレンチ試験と比較することでパラメータ校正の精度を検証しました。 MILKEVYCH13 は、離散法に基づいて除草プロセスにおける土壌と構成要素の間の相互作用によって引き起こされる土壌変位のモデルを確立し、土壌変位のシミュレーションおよび測定テストは一貫していました。 Uggul と Saunders 14 は、DEM 法を使用してプレート型プラウと土壌の間の相互作用をシミュレートし、その結果を実験的テスト、分析的な喫水結果、および溝プロファイルの測定と比較しました。 その結果、DEM には土壌と型板のプラウの相互作用を妥当な精度で予測できる可能性があることが明らかになりました。 Li15、Lu16、Kang17、Niu18 は、滑らかな粒子ダイナミクスを含む土壌切削シミュレーションを実行して、土壌の運動と切削エネルギーの変化則を取得しました。 構造パラメータは消費電力を削減するために最適化され、最後に土壌水路テストを使用してシミュレーションの正確性が検証されました。 Liu19 は、土壌切削プロセスにおける SPH シミュレーション手法と FEM シミュレーション手法を比較しました。 初期段階でメッシュの歪みがなかった場合、シミュレーション結果は同様でした。 メッシュの歪みにより、FEM アルゴリズムでエラーが発生しました。 そこで、それぞれの利点を生かしたFEM-SPH結合法を提案し、その実現可能性を検証した。