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Jul 11, 2023

Calibrage des paramètres de contact des composants typiques du travail du sol rotatif coupant le sol sur la base de différentes méthodes de simulation

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 5757 (2023) Citer cet article 461 Accès 1 Détails de Altmetric Metrics Ce rapport analyse le problème des schémas complexes de mouvement des sols sous l'action

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5757 (2023) Citer cet article

461 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

Ce rapport analyse le problème des modèles complexes de mouvement du sol sous l'action de forces couplées, telles que la tension et le cisaillement, dans les processus agricoles et vise à améliorer la précision des paramètres de contact utilisés dans les études de simulation par éléments discrets des interactions motoculteur-sol. Cette étude se concentre sur le sol du champ de coton de Shihezi dans la 8ème division du Xinjiang et étudie le rouleau de labour rotatif en tant que composant touchant le sol des machines de travail du sol. Une combinaison de simulations et de tests physiques est utilisée. Nous effectuons des tests d'angle de repos et utilisons la détection des bords, l'ajustement et d'autres méthodes de traitement d'image pour détecter automatiquement, rapidement et avec précision l'accumulation de sol et l'étalonnage de l'angle des paramètres de contact avec les particules de sol. De plus, des tests de glissement du sol sont effectués pour calibrer les paramètres de contact entre le sol et les pales rotatives. L'optimisation est obtenue sur la base de simulations orthogonales et de la méthode de surface de réponse Box-Behnken en utilisant des valeurs physiquement mesurées comme cible. Un modèle de régression de l'angle d'empilement et de l'angle de frottement de roulement est établi pour déterminer la combinaison optimale des paramètres de contact de simulation : entre sol et sol, le coefficient de récupération est de 0,402, le coefficient de frottement statique est de 0,621 et le coefficient de frottement de roulement est de 0,078 ; entre les pièces en contact avec le sol et le sol, le coefficient de récupération est de 0,508, le coefficient de frottement statique est de 0,401 et le coefficient de frottement de roulement est de 0,2. De plus, les paramètres d'étalonnage sont sélectionnés comme paramètres de contact pour la simulation d'éléments discrets. En combinant les deux méthodes de simulation ci-dessus pour analyser et comparer le processus de simulation de coupe du sol depuis les pièces du rouleau du motoculteur jusqu'aux pièces à lame unique du motoculteur, nous avons obtenu les changements d'énergie, de résistance à la coupe et de mouvement des particules de sol à différentes profondeurs du processus de coupe du sol. Enfin, la résistance moyenne à la coupe a été utilisée comme indice de validation lors des essais sur le terrain. La valeur mesurée est de 0,96 kN et l'erreur de simulation des éléments discrets est de 13 %. Cela démontre la validité des paramètres de contact calibrés et la précision de la simulation, qui peuvent fournir une référence théorique et un support technique pour l'étude des mécanismes d'interaction entre les pièces de l'équipement de travail du sol et le sol, ainsi que pour la conception et l'optimisation de ces interactions. à l'avenir.

La technologie mécanisée du travail du sol et de la préparation du sol constitue la technologie mécanisée la plus élémentaire pour le travail agricole. C’est également un outil important pour améliorer la qualité des terres arables1,2. Le rouleau de coupe rotatif est notamment en contact direct avec le sol, ce qui affecte à tout moment la qualité et l'efficacité du fonctionnement. Ainsi, la précision des simulations de coupe doit être améliorée pour calibrer et optimiser les paramètres de contact avec le sol.

Avec le développement de la conception technique assistée par ordinateur, les méthodes de simulation numérique ont été continuellement appliquées à divers domaines, notamment le génie agricole3,4. Le principal avantage des simulations numériques est leur capacité à produire des prédictions rapides sans nécessiter de multiples tests sur le terrain5,6. Ces dernières années, les méthodes d’éléments discrets (DEM)7,8 et d’hydrodynamique des particules lissées (SPH)9 ont montré des avantages uniques en révélant les mécanismes d’interaction entre les composants des machines agricoles et les particules du sol. Makange10 a introduit des éléments de liaison entre les particules DEM dans le modèle de contact pour simuler le sol cohésif réel et a étudié les forces horizontales et verticales ainsi que la perturbation du sol d'une charrue à différentes vitesses et profondeurs. Kim11 a modélisé les sols agricoles et prédit les forces de traction pour différentes profondeurs de labour, calibré le modèle de sol DEM à l'aide d'un test de cisaillement virtuel à lame et effectué des tests sur le terrain avec une précision de prédiction de 7,5 % pour les forces de traction. AIKINS12 a intégré le modèle de ressort hystérétique et le modèle de cohésion linéaire pour calibrer les facteurs de frottement statique et de roulement des sols à haute viscosité et a vérifié l'exactitude de l'étalonnage des paramètres en les comparant avec des tests de tranchées. MILKEVYCH13 a établi un modèle de déplacement du sol provoqué par l'interaction entre le sol et les composants du processus de désherbage, basé sur la méthode discrète, et les tests simulés et mesurés de déplacement du sol étaient cohérents. Uggul et Saunders14 ont simulé l'interaction entre la charrue à plaques et le sol à l'aide de la méthode DEM, et les résultats ont été comparés à des tests expérimentaux, aux résultats analytiques de la force de traction et aux mesures du profil du sillon. Les résultats ont révélé que le DEM a le potentiel de prédire l’interaction sol-versoir avec une précision raisonnable. Li15, Lu16, Kang17 et Niu18 ont effectué des simulations de coupe du sol impliquant une dynamique de particules douces pour obtenir la loi de changement du mouvement du sol et de l'énergie de coupe. Les paramètres structurels ont été optimisés pour réduire la consommation d'énergie et, enfin, l'exactitude de la simulation a été vérifiée à l'aide d'un test en canal de sol. Liu19 a comparé les méthodes de simulation SPH et FEM dans le processus de coupe du sol. Les résultats de la simulation étaient similaires lorsqu’il n’y avait pas de distorsion du maillage au début. Avec la distorsion du maillage, l'algorithme FEM produisait des erreurs. Ainsi, la méthode de couplage FEM-SPH a été proposée pour tirer parti des avantages respectifs, et la faisabilité de cette méthode a été vérifiée.