Калибровка параметров контакта типовых компонентов ротационной обработки почвы, срезающих почву, на основе различных методов моделирования

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5757 (2023) Цитировать эту статью

355 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом отчете анализируется проблема сложных моделей движения почвы под действием связанных сил, таких как растяжение и сдвиг, в сельскохозяйственных процессах, и он направлен на повышение точности параметров контакта, используемых в исследованиях моделирования взаимодействия культиватора с почвой с помощью дискретных элементов. В этом исследовании основное внимание уделяется почве хлопкового поля Шихэцзы в 8-м районе Синьцзяна и исследуется вращающийся культиватор как соприкасающийся с почвой компонент почвообрабатывающей техники. Используется сочетание моделирования и физических испытаний. Мы проводим тесты на угол естественного откоса и используем обнаружение кромок, подгонку и другие методы обработки изображений для автоматического, быстрого и точного обнаружения скоплений почвы и калибровки угла параметров контакта с частицами почвы. Дополнительно проводятся испытания на проскальзывание грунта для калибровки параметров контакта грунта с поворотными ножами. Оптимизация достигается на основе ортогонального моделирования и метода поверхности отклика Бокса-Бенкена с использованием физически измеренных значений в качестве цели. Создана регрессионная модель угла штабелирования и угла трения качения для определения оптимального сочетания параметров моделирования контакта: между грунтом и грунтом коэффициент восстановления составляет 0,402, коэффициент статического трения - 0,621, коэффициент трения качения - 0,078; между частями, контактирующими с почвой, и почвой коэффициент восстановления составляет 0,508, коэффициент статического трения - 0,401, коэффициент трения качения - 0,2. Кроме того, параметры калибровки выбираются в качестве контактных параметров для моделирования дискретного элемента. Объединив два вышеуказанных метода моделирования для анализа и сравнения процесса моделирования резки почвы от частей катков культиватора до частей однолопастного мотоблока, мы получили изменения в энергии, сопротивлении резанию и движении частиц почвы на различной глубине процесса резки почвы. Наконец, среднее сопротивление резанию использовалось в качестве показателя для проверки в полевых испытаниях. Измеренное значение составляет 0,96 кН, погрешность моделирования дискретного элемента — 13%. Это демонстрирует достоверность калиброванных параметров контакта и точность моделирования, что может обеспечить теоретическую справочную и техническую поддержку для изучения механизмов взаимодействия между частями почвообрабатывающего оборудования и почвой, а также проектирования и оптимизации этих взаимодействий. в будущем.

Механизированная технология обработки и подготовки почвы является наиболее основной механизированной технологией сельскохозяйственных работ. Это также важный инструмент улучшения качества пахотных земель1,2. Примечательно, что вращающийся режущий каток находится в непосредственном контакте с почвой, что постоянно влияет на качество и эффективность работы. Таким образом, необходимо повысить точность моделирования резания для калибровки и оптимизации параметров контакта с почвой.

С развитием автоматизированного инженерного проектирования методы численного моделирования постоянно применяются в различных областях, включая сельскохозяйственное машиностроение3,4. Основным преимуществом численного моделирования является его способность быстро делать прогнозы без необходимости проведения многочисленных полевых испытаний5,6. В последние годы методы дискретных элементов (DEM)7,8 и гидродинамики сглаженных частиц (SPH)9 показали уникальные преимущества в выявлении механизмов взаимодействия между компонентами сельскохозяйственных машин и частицами почвы. Маканге10 ввёл связующие элементы между частицами DEM в контактную модель для имитации реальной связной почвы и изучил горизонтальные и вертикальные силы, а также возмущение почвы плугом на разных скоростях и глубинах. Ким11 смоделировал сельскохозяйственные почвы и спрогнозировал тяговые силы для различной глубины обработки, откалибровал модель почвы DEM с помощью виртуального испытания на сдвиг лезвия и провел полевые испытания с точностью прогнозирования тяговых сил 7,5%. AIKINS12 объединил модель гистерезисной пружины и модель линейного сцепления для калибровки коэффициентов статического трения и трения качения высоковязких грунтов и проверил точность калибровки параметров, сравнив их с испытаниями при прокладке траншей. МИЛКЕВИЧ13 разработал модель смещения почвы, вызванную взаимодействием почвы и компонентов в процессе прополки, на основе дискретного метода, а смоделированные и измеренные испытания смещения почвы были согласованными. Уггул и Сондерс14 смоделировали взаимодействие между пластинчатым плугом и почвой, используя метод DEM, а результаты сравнивали с экспериментальными испытаниями, аналитическими результатами тяговой силы и измерениями профиля борозды. Результаты показали, что DEM имеет потенциал для прогнозирования взаимодействия почвы и отвала с достаточной точностью. Li15, Lu16, Kang17 и Niu18 выполнили моделирование резки почвы с использованием плавной динамики частиц, чтобы получить закон изменения движения почвы и энергии резки. Структурные параметры были оптимизированы для снижения энергопотребления, и, наконец, правильность моделирования была проверена с помощью теста грунтового лотка. Лю19 сравнил методы моделирования SPH и FEM в процессе резки грунта. Результаты моделирования были аналогичными, когда на ранней стадии не было искажений сетки. При искажении сетки алгоритм FEM выдавал ошибки. Таким образом, был предложен метод соединения FEM-SPH, чтобы воспользоваться соответствующими преимуществами, и была проверена осуществимость этого метода.