Метод динамики частиц: моделирование комбинированного почвообрабатывающего орудия, применяемого при лесовосстановлении и защите леса

Для теоретического исследования процесса взаимодействия рабочих органов комбинированного орудия с лесной почвой разработана математическая модель. Целью исследования является разработка математической модели на основе метода (DEM), позволяющей оценить влияние параметров комбинированного орудия, технологических параметров процесса и параметров лесной почвы на силовые характеристики, испытываемые орудием. С помощью разработанной модели был проверен принцип комбинирования рабочих органов, то есть одновременная обработка почвы рабочими органами двух или более типов, установленными друг за другом. Для этого проводили компьютерные эксперименты по движению комбинированного орудия в лесной почве до выхода орудия в установившийся режим обработки. На основе серий компьютерных экспериментов с моделью установлен характер влияния параметров комбинированного орудия, технологических параметров процесса и параметров лесной почвы на силовые характеристики, испытываемые орудием. Определено, что сила сопротивления движению комбинированного орудия для влажных липких почв в 0,886 раз ниже суммы сил сопротивления движению отдельных рабочих органов. Для сухих песчаных рассыпчатых почв данный эффект 0,985 практически не выражен. Для моделирования использовался метод динамики частиц. Виртуальный почвенный канал имел длину 4 м и ширину 1,2 м. Горизонтальная скорость движения рабочего органа задавалась равной 1 м/с, а общее модельное время составляло 3 с. Для охвата широкого диапазона параметров лесной почвы проводили эксперименты почвами двух типов: влажным черноземом с существенной связностью почвы и сухой рассыпчатой песчаной почвой.

1. Лысыч М.Н. Компьютерное моделирование процесса обработки почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 3. С. 607–627. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12-3-607-627

2. Суравкин А.Ю. Реализация метода SPH на CUDA для моделирования несжимаемых жидкостей // Наука и образование. 2012. № 7. С. 87–106. DOI: 10.7463/0712.0423582.

3. Asaf Z., Rubinstein D., Shmulevich I. Determination of discrete element model parameters required for soil tillage // Soil Tillage Res. 2007. No. 92. P. 227–242. DOI:10.1016/j.still.2021.105123.

4. Batou A., Soize C., Kyu Choi C., Hee Yoo H. Robust design in multibody dynamics – application to vehicle ride-comfort optimization // Procedia IUTAM. 2015. No. 13. P. 90–97. DOI: 10.1016/j.piutam.2015.01.005.

5. Bentaher H., Ibrahmi A., Hamza E., Hbaieb M., Kantchev G., Maalej A., Arnold W. Finite element simulation of moldboard-soil interaction // Soil and Tillage Research. 2013. No. 134. P. 11–16. DOI:10.1016/j.still.2013.07.002.

6. Bolintineanu D.S., Grest G.S., Lechman J.B., Pierce F., Plimpton S.J., Schunk P.R. Particle Dynamics Modeling for Colloid Suspensions // Comp. Part. Mech. 2014. No. 1. P. 321–356. DOI: 10.1007/s40571-014-0007-6.

7. Chen Y., Munkholm L.J., Nyord T. A discrete element model for soil–sweep interaction in three different soils // Soil Tillage Res. 2013. No. 126. P. 34–41. DOI: 10.1016/j.still.2012.08.008.

8. Hang C., Gao X., Yuan M., Huang Y. Discrete element simulations and experiments of soil disturbance as affected by the tine spacing of subsoiler // Biosyst. Eng. 2017. No. 168. P. 73–82. DOI:10.1016/j.biosystemseng.2017.03.008.

9. Ibrahmi A., Bentaher H., Hbaieb M., Maalej A., Mouazen A.M. Study of the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation // Comput Electron. Agric. 2015. No. 117. P. 258–267. DOI:10.1016/j.compag.2015.08.006

10. Ibrahmi A., Bentaher H., Hamza E., Maalej A., Mouazen A.M. 3D finite element simulation of the effect of mouldboard plough’s design on both the energy consumption and the tillage quality // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. No. 90. P. 473–487. DOI: 10.1007/s00170-016-9391-9.

11. Jafari R. Numerical approximation of elliptic partial differential equations on soil-tool interaction problems using advanced nonlinear finite element approach // Int. J. Math. Comput. Simul. 2008. No. 2. P. 223–227.

12. Jakob C., Konietzky H. Particle Methods. Freiberg. 2014. 22 p.

13. Lysych M.N. Three-dimensional virtual dynamometer to measure the process of overcoming obstacles by disc cultivator // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. No. 392. 012054. DOI: 10.1088/1755-1315/392/1/012054

14. Lysych M.N., Shabanov M.L., Bukhtoyarov L.D. Research of process overcoming obstacles by tillage tools // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. No. 226. 012045. DOI:10.1088/1755-1315/226/1/012045

15. Mak J., Chen Y., Sadek M.A. Determining parameters of a discrete element model for soil – tool interaction // Soil & Tillage Research. 2012. No. 118. P. 117–122. DOI:10.1016/j.still.2011.10.019

16. Ovsyanko V., Petrovsky A. The computer modeling of interaction between sharemoulboard surface of plough and soil // J. Res. Appl. Agric. Eng. 2014. No. 59. P. 100–103.

17. Teixeira R.R., Moreira S.R.D.S., Tavares S.M.O. Multibody Dynamics simulation of an electric bus // Procedia Engineering. 2015. No. 114. P. 470–477. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.094

18. Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Comparison of the discrete element and finite element methods to model the interaction of soil and tool cutting edge // Biosyst. Eng. 2018. No. 169. P. 199–208. DOI:10.1016/j.biosystemseng.2018.03.003.

19. Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Discrete element modelling of tillage forces and soil movement of a one-third scale mouldboard plough // Biosyst. Eng. 2017. No. 155. P. 44–54. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2016.12.002

20. Ucgul M., Saunders C., Li P., Lee S. Analyzing the mixing performance of a rotary spader using digital image processing and discrete element modelling (DEM) // Comput. Electron. Agric. 2018. No. 151. P. 1–10. DOI:10.1016/j.compag.2018.05.028.

21. Urbán M., Kotrocz K., Kerényi G. Investigation of the soil-tool interaction by SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) based simulation. In Power and Machinery // International Conference of Agricultural Engineering-CIGR-AgEng 2012: agriculture and engineering for a healthier life, Valencia, Spain, 2012.

22. Wu G., Fan G., Guo J., Wu G. Ride comfort evaluation for road vehicle based on rigid flexible coupling multibody dynamics // Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2013. No. 3. 13004. DOI:10.1063/2.1301304.