Обоснование параметров комбинированного сошника в цифровом двойнике методом дискретных элементов
Аннотация
Введение. Наиболее перспективным для моделирования процессов обработки почвы является метод дискретных элементов. Моделирование методом дискретных элементов позволяет создать цифровой двойник технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой и провести анализ работы почвообрабатывающих и посевных машин с разными конструктивно-технологическими параметрами, а также спрогнозировать энергетические и агротехнические показатели работы орудий. При этом для увеличения точности прогнозирования результатов, полученных в ходе реализации виртуальной модели, необходимо сопоставлять данные с результатами лабораторных и полевых исследований.
Цель исследования. Разработать цифровой двойник почвенного канала методом дискретных элементов и оптимизировать с помощью него основные конструктивнотехнологические параметры комбинированного сошника.
Материалы и методы. Для моделирования процесса взаимодействия сошника с почвой методом дискретных элементов в качестве образца контакта выбрана усовершенствованная модель Герца ‒ Миндлина. В таком случае создается виртуальный почвенный канал, который заполняется сферическими частицами диаметром 10 мм с заданными реологическими параметрами выбранной модели контакта. Основными конструктивными факторами для проведения компьютерных экспериментов в целях их оптимизации приняты угол наклона долота сошника α и угол наклона бороздообразователя β, в качестве выходного параметра оптимизации – тяговое сопротивление сошника R.
Результаты исследования. Реализация многофакторных экспериментов на цифровом двойнике почвенного канала в программе Rocky DEM позволила оптимизировать конструктивно-технологические параметры комбинированного сошника: угол наклона долота α = 75о, угол наклона бороздообразователя β = 21о, расстояние между долотом и бороздообразователем по вертикали ∆a = 11–14 мм.
Обсуждение и заключение. В результате моделирования установлено, что тяговое сопротивление сошника растет по квадратичной зависимости от его рабочей скорости. Увеличение поверхностной энергии контактной модели также ведет к росту тягового сопротивления сошника.
Литература
Cundall P.A, Strack O.D.L. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies. Géotechnique. 1979;29(1):47–65. https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47
Ucgul М., Fielke J., Saunders C. Three-Dimensional Discrete Element Modelling of Tillage: Determination of a Suitable Contact Model and Parameters for a Cohesionless Soil. Biosystem Engineering. 2014;121(2):105–117. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2014.02.005
Roessler T., Katterfeld A. DEM Parameter Calibration of Cohesive Bulk Materials Using a Simple Angle of Repose Test. Particuology. 2019;45:105–115. https://doi.org/10.1016/j.partic.2018.08.005
Barr J.B., Ucgul M., Desbiolles J.M., Fielke J.M. Simulating the Effect of Rake Angle on Narrow Opener Performance with the Discrete Element Method. Biosystems Engineering. 2018;171:1–15. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2018.04.013
Wang X., Zhang Q., Huang Y., Ji J. An Efficient Method for Determining Dem Parameters of a Loose Cohesive Soil Modelled Using Hysteretic Spring and Linear Cohesion Contact Models. Biosystems Engineering. 2022;215:283–294. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2022.01.015
Qi L., Chen Y., Sadek M. Simulations of Soil Flow Properties Using the Discrete Element Method (DEM). Computers and Electronics in Agriculture. 2019;157:254–260. https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.12.052
Mudarisov S., Farkhutdinov I., Khamaletdinov R., Khasanov E., Mukhametdinov A. Evaluation of the Significance of the Contact Model Particle Parameters in the Modelling of Wet Soils by the Discrete Element Method. Soil and Tillage Research. 2022;215:105228. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105228
Saunders C., Ucgul M., Godwin R.J. Discrete Element Method (DEM) Simulation to Improve Performance of a Mouldboard Skimmer. Soil and Tillage Research. 2021;205:104764. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104764
Aikins K.A., Ucgul M., Barr J.B., Jensen T.A., Antille D.L., Jack M.A. Determination of Discrete Element Model Parameters for a Cohesive Soil and Validation Through Narrow Point Opener Performance Analysis. Soil and Tillage Research. 2021;213:105123. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105123
Makange N.R., Ji C., Torotwa I. Prediction of Cutting Forces and Soil Behavior with Discrete Element Simulation. Computers and Electronics in Agriculture. 2020;179:105848. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105848
Mudarisov S., Lobachevsky Y., Farkhutdinov I., Khasanov E., Rakhimov I. Justification of the Soil Dem-Model Parameters for Predicting the Plow Body Resistance Forces During Plowing. Journal of Terramechanics. 2023;109:37–44. https://doi.org/10.1016/j.jterra.2023.06.001
Song X., Dai F., Zhang X., Chen H., Zhang F., Zhao W. Numerical Analyses Ridge-Forming for Whole Film-Mulching and Double Ridge-Furrow, a Discrete Element Method. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;215:108364. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108364
Hoseinian S.H., Hemmat A., Esehaghbeygi A., Shahgoli G., Baghbanan A. Development of a Dual Sideway-Share Subsurface Tillage Implement: Part 2. Effect of Tool Ggeometry on Tillage Forces and Soil Disturbance Characteristics. Soil and Tillage Research. 2022;215:105200. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105200
Liu L., Wang X., Zhang X., Cheng X, Wei Z., Zhou H., et al. The Impact of ‘T’-Shaped Furrow Opener of No-Tillage Seeder on Straw and Soil Based on Discrete Element Method. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;213:108278. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108278
Liu K., Sozzi M., Gasparini F., Marinello F., Sartori L. Combining Simulations and Field Experiments: Effects of Subsoiling Angle and Tillage Depth on Soil Structure and Energy Requirements. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;214:108323. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108323
Godzhaev Z., Mudarisov S., Farkhutdinov I. Evaluation of the Influence of the Discrete Elements’ Shape on the Results of Soil Modelling. Springer International Publishing. 2022;602‒611.
Mudarisov S.G., Farkhutdinov I.M., Yamaletdinov M.M., Bagautdinov R.Yu., Kinzyabulatova E.R. [Dual-Level Anchor Coulter]. Patent 207,073 Russian Federation. 2021 March 22. 4 p. (In Russ.)
