Calibração de parâmetros de contato de componentes típicos de preparo rotativo cortando solo com base em diferentes métodos de simulação

Apr 05, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5757 (2023) Citar este artigo

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Este relatório analisa o problema de padrões complexos de movimento do solo sob a ação de forças acopladas, como tensão e cisalhamento, em processos agrícolas e visa melhorar a precisão dos parâmetros de contato usados ​​em estudos de simulação de elementos discretos de interações solo-rotiller. Este estudo concentra-se no solo do campo de algodão Shihezi na 8ª divisão de Xinjiang e investiga o rolo rotativo do leme como um componente das máquinas de preparo do solo que toca o solo. Uma combinação de simulações e testes físicos é usada. Realizamos testes de ângulo de repouso e usamos detecção de borda, ajuste e outros métodos de processamento de imagem para detectar de forma automática, rápida e precisa o acúmulo de solo e calibração de ângulo dos parâmetros de contato com partículas de solo. Além disso, são realizados testes de escorregamento do solo para calibrar os parâmetros de contato entre o solo e as lâminas rotativas. A otimização é alcançada com base em simulações ortogonais e no método de superfície de resposta Box-Behnken usando valores medidos fisicamente como alvo. Um modelo de regressão do ângulo de empilhamento e do ângulo de atrito de rolamento é estabelecido para determinar a combinação ideal de parâmetros de contato de simulação: entre solo e solo, o coeficiente de recuperação é 0,402, o coeficiente de atrito estático é 0,621 e o coeficiente de atrito de rolamento é 0,078; entre as partes de contato do solo e o solo, o coeficiente de recuperação é 0,508, o coeficiente de atrito estático é 0,401 e o coeficiente de atrito de rolamento é 0,2. Além disso, os parâmetros de calibração são selecionados como parâmetros de contato para a simulação de elementos discretos. Ao combinar os dois métodos de simulação acima para analisar e comparar o processo de simulação de corte de solo de peças de rolo de rototiller para peças de lâmina única de rototiller, obtivemos as mudanças na energia, resistência de corte e movimento de partículas do solo em diferentes profundidades do processo de corte de solo. Por fim, a resistência média ao corte foi utilizada como índice para validação nos testes de campo. O valor medido é de 0,96 kN e o erro da simulação do elemento discreto é de 13%. Isto demonstra a validade dos parâmetros de contato calibrados e a precisão da simulação, o que pode fornecer uma referência teórica e suporte técnico para o estudo dos mecanismos de interação entre as peças do equipamento de preparo do solo e o solo, bem como o projeto e otimização dessas interações. no futuro.

A tecnologia mecanizada de preparo do solo e preparo do solo é a tecnologia mecanizada mais básica para o trabalho agrícola. É também uma ferramenta importante para melhorar a qualidade das terras aráveis1,2. Notavelmente, o rolo cortador rotativo está em contato direto com o solo, o que afeta a qualidade e a eficiência da operação em todos os momentos. Assim, a precisão das simulações de corte precisa ser melhorada para calibrar e otimizar os parâmetros de contato com o solo.

Com o desenvolvimento do projeto de engenharia auxiliado por computador, os métodos de simulação numérica têm sido continuamente aplicados a vários campos, incluindo a engenharia agrícola . A principal vantagem das simulações numéricas é a sua capacidade de produzir previsões rápidas sem a necessidade de múltiplos testes de campo5,6. Nos últimos anos, os métodos de elementos discretos (DEM)7,8 e hidrodinâmica de partículas suavizadas (SPH)9 têm mostrado vantagens únicas ao revelar os mecanismos de interação entre componentes de máquinas agrícolas e partículas do solo. Makange10 introduziu elementos de ligação entre partículas DEM no modelo de contato para simular o solo coesivo real e estudou as forças horizontais e verticais e a perturbação do solo de um arado em diferentes velocidades e profundidades. Kim11 modelou solos agrícolas e previu forças de tração para diferentes profundidades de preparo do solo, calibrou o modelo de solo DEM usando um teste de cisalhamento de lâmina virtual e realizou testes de campo com uma precisão de previsão de 7,5% para forças de tração. AIKINS12 integrou o modelo de mola histerética e o modelo de coesão linear para calibrar os fatores de atrito estático e de rolamento de solos de alta viscosidade e verificou a precisão da calibração dos parâmetros comparando-os com testes de abertura de valas. MILKEVYCH13 estabeleceu um modelo de deslocamento do solo causado pela interação entre solo e componentes no processo de capina baseado no método discreto, e os testes simulados e medidos de deslocamento do solo foram consistentes. Uggul e Saunders14 simularam a interação entre o arado tipo placa e o solo usando o método DEM, e os resultados foram comparados com testes experimentais, resultados analíticos de força de tração e medições de perfil de sulco. Os resultados revelaram que o DEM tem potencial para prever a interação solo-arado com razoável precisão. Li15, Lu16, Kang17 e Niu18 realizaram simulações de corte de solo envolvendo dinâmica de partículas suaves para obter a lei de mudança do movimento do solo e da energia de corte. Os parâmetros estruturais foram otimizados para reduzir o consumo de energia e, por fim, a correção da simulação foi verificada por meio do teste de calha do solo. Liu19 comparou métodos de simulação SPH e FEM no processo de corte de solo. Os resultados da simulação foram semelhantes quando não houve distorção da malha na fase inicial. Com distorção da malha, o algoritmo FEM produziu erros. Assim, o método de acoplamento FEM-SPH foi proposto para aproveitar os respectivos benefícios, e a viabilidade deste método foi verificada.