다양한 시뮬레이션 방법을 기반으로 토양을 절단하는 일반적인 회전 경작 구성요소의 접촉 매개변수 교정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5757(2023) 이 기사 인용

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이 보고서는 농업 공정에서 장력 및 전단과 같은 결합력의 작용에 따른 복잡한 토양 이동 패턴의 문제를 분석하고 로토틸러-토양 상호 작용에 대한 개별 요소 시뮬레이션 연구에 사용되는 접촉 매개변수의 정확성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 본 연구는 신장 8구 스허쯔 목화밭의 토양에 초점을 맞추고 경작 기계의 토양 접촉 부품인 회전 경작 롤러를 조사합니다. 시뮬레이션과 물리적 테스트의 조합이 사용됩니다. 우리는 안식각 테스트를 수행하고 가장자리 감지, 피팅 및 기타 이미지 처리 방법을 사용하여 토양 축적과 토양 입자와의 접촉 매개변수의 각도 교정을 자동으로 빠르고 정확하게 감지합니다. 또한 토양과 회전 블레이드 사이의 접촉 매개변수를 보정하기 위해 토양 미끄러짐 테스트가 수행됩니다. 물리적으로 측정된 값을 목표로 하는 직교 시뮬레이션과 Box-Behnken 반응 표면 방법을 기반으로 최적화가 이루어집니다. 시뮬레이션 접촉 매개변수의 최적 조합을 결정하기 위해 적층 각도와 롤링 마찰각의 회귀 모델이 설정되었습니다. 토양과 토양 사이의 회복 계수는 0.402, 정지 마찰 계수는 0.621, 구름 마찰 계수는 0.078입니다. 토양접촉부와 토양 사이의 회복계수는 0.508, 정지마찰계수는 0.401, 구름마찰계수는 0.2이다. 또한 교정 매개변수는 이산 요소 시뮬레이션을 위한 접촉 매개변수로 선택됩니다. 위의 두 가지 시뮬레이션 방법을 결합하여 로토틸러 롤러 부분에서 로토틸러 단일 블레이드 부분까지 토양을 절단하는 시뮬레이션 과정을 분석하고 비교함으로써 토양 절단 과정의 깊이에 따른 에너지, 절단 저항 및 토양 입자 이동의 변화를 얻었습니다. 마지막으로 현장 테스트에서 검증을 위한 지표로 평균 절삭저항을 사용하였다. 측정값은 0.96kN이고 이산요소 시뮬레이션의 오차는 13%입니다. 이는 보정된 접촉 매개변수의 유효성과 시뮬레이션의 정확성을 입증하며, 이는 경작 장비 부품과 토양 사이의 상호 작용 메커니즘 연구뿐 아니라 이러한 상호 작용의 설계 및 최적화에 대한 이론적 참조 및 기술 지원을 제공할 수 있습니다. 미래에.

기계화경운 및 토양정리기술은 농업작업에 있어서 가장 기본적인 기계화기술이다. 이는 또한 경작지의 질을 향상시키는 중요한 도구이기도 합니다1,2. 특히 회전식 절단기 롤러는 토양과 직접 접촉하므로 항상 작업 품질과 효율성에 영향을 미칩니다. 따라서 토양 접촉 매개변수를 보정하고 최적화하려면 절단 시뮬레이션의 정확도를 향상시켜야 합니다.

컴퓨터를 이용한 공학설계의 발달로 농업공학을 포함한 다양한 분야에 수치시뮬레이션 방법이 지속적으로 적용되고 있다3,4. 수치 시뮬레이션의 주요 장점은 여러 현장 테스트 없이도 빠른 예측을 생성할 수 있다는 것입니다5,6. 최근에는 DEM(Discrete Element)7,8 및 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)9 방법이 농업 기계 구성 요소와 토양 입자 간의 상호 작용 메커니즘을 밝히는 데 고유한 이점을 보여주었습니다. Makange10은 실제 응집성 토양을 시뮬레이션하기 위해 접촉 모델의 DEM 입자 사이에 결합 요소를 도입하고 다양한 속도와 깊이에서 쟁기의 수평 및 수직 힘과 토양 교란을 연구했습니다. Kim11은 농업용 토양을 모델링하고 다양한 경작 깊이에 대한 견인력을 예측했으며 가상 블레이드 전단 테스트를 사용하여 DEM 토양 모델을 보정하고 견인력에 대한 예측 정확도 7.5%로 현장 테스트를 수행했습니다. AIKINS12는 이력 스프링 모델과 선형 응집력 모델을 통합하여 고점도 지반의 정적 및 롤링 마찰 계수를 보정하고 이를 트렌칭 테스트와 비교하여 매개변수 보정의 정확성을 검증했습니다. MILKEVYCH13는 이산법을 기반으로 제초 과정에서 토양과 구성 요소 사이의 상호 작용에 의해 발생하는 토양 변위 모델을 구축했으며, 토양 변위에 대한 모의 및 측정 테스트는 일관되었습니다. Uggul과 Saunders14는 DEM 방법을 사용하여 판형 쟁기와 토양 사이의 상호 작용을 시뮬레이션하고 그 결과를 실험 테스트, 분석적 드래프트 힘 결과 및 고랑 프로파일 측정과 비교했습니다. 결과는 DEM이 합리적인 정확도로 토양-거푸집 쟁기 상호 작용을 예측할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다. Li15, Lu16, Kang17 및 Niu18은 부드러운 입자 역학을 포함하는 토양 절단 시뮬레이션을 수행하여 토양 운동 및 절단 에너지의 변화 법칙을 얻었습니다. 전력 소모를 줄이기 위해 구조적 매개변수를 최적화하였고, 마지막으로 토양 수로 테스트를 통해 시뮬레이션의 정확성을 검증했습니다. Liu19는 토양 절단 과정에서 SPH와 FEM 시뮬레이션 방법을 비교했습니다. 초기 단계에서 메쉬 왜곡이 없을 때에도 시뮬레이션 결과는 비슷했습니다. 메쉬 왜곡으로 인해 FEM 알고리즘에서 오류가 발생했습니다. 따라서, 각각의 장점을 활용하기 위해 FEM-SPH 결합 방식이 제안되었으며, 이 방식의 타당성이 검증되었다.