Desarrollo y validación de un modelo de simulación de elementos discretos para perforar agujeros en sustratos de siembra
Autores: Xia, Hongmei; Deng, Chuheng; Yang, Teng; Huang, Runxin; Ou, Jianhua; Dong, Lingjin; Tao, Dewen; Qi, Long
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Desarrollo y validación de un modelo de simulación de elementos discretos para perforar agujeros en sustratos de siembra
Categoría
Ciencias Agrícolas y Biológicas
Subcategoría
Agronomía y Ciencia de los Cultivos
Palabras clave
Simulación DEM
Características de colisión
Agujeros de sustrato prensado
Modelo de elementos discretos
ángulo de reposo
Parámetros mecánicos de contacto
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 34
Citaciones: Sin citaciones
Para llevar a cabo la investigación de simulación DEM sobre las características de colisión entre semillas y agujeros de sustrato prensado, se desarrolló en este estudio un modelo de elementos discretos de agujeros prensados mecánicamente en sustratos de siembra. Los modelos geométricos DEM de partículas de sustrato de siembra se establecieron en base a la prueba de tamizado, y se utilizó el modelo de contacto Hertz-Mindlin con JKR para simular las partículas finas, húmedas y cohesivas del sustrato. El ángulo de reposo medido por el método del embudo se utilizó como objetivo, se realizaron experimentos de Plackett-Burman para seleccionar parámetros mecánicos de contacto significativos, mientras que se emplearon experimentos de ascenso más pronunciado y Box-Behnken para definir sus rangos de valores. Se construyó un modelo de red neuronal para predecir el ángulo de reposo, y se aplicó un algoritmo genético para optimizar los parámetros mecánicos de contacto significativos. Los perfiles transversales del agujero de prensado se obtuvieron mediante extracción de características del perfil de imagen en la simulación y métodos de proyección de escaneo 3D en el experimento. El coeficiente de fricción dinámica entre partículas, el coeficiente de restitución entre partículas, el coeficiente de fricción dinámica entre partículas y acero inoxidable, y la energía de superficie JKR del sustrato calibrado fueron 0.0349, 0.5448, 0.0233 y 0.4279, respectivamente. La desviación del ángulo de reposo simulado utilizando los parámetros de contacto optimizados fue de 0.4 grados. Las formas de los agujeros prensados obtenidas de la simulación y el experimento mostraron una buena consistencia. La velocidad de prensado no tuvo un efecto significativo en la profundidad media de todos los puntos muestreados, lo que sugiere que se debe establecer una velocidad de prensado más alta para mejorar la eficiencia operativa. La profundidad de prensado tiene un efecto altamente significativo en la profundidad media de todos los puntos muestreados, pero no un efecto significativo en la desviación entre las profundidades medias simuladas y experimentales. La diferencia máxima en la desviación de la profundidad media entre los puntos muestreados simulados y experimentales es de 1.308 mm. Esto demuestra que el modelo de elementos discretos establecido puede simular de manera eficiente y precisa la deformación del agujero de prensado en el sustrato de siembra. Proporciona un modelo de simulación aplicable para el diseño rápido de optimización del agujero de prensado y equipo de siembra.
Descripción
Para llevar a cabo la investigación de simulación DEM sobre las características de colisión entre semillas y agujeros de sustrato prensado, se desarrolló en este estudio un modelo de elementos discretos de agujeros prensados mecánicamente en sustratos de siembra. Los modelos geométricos DEM de partículas de sustrato de siembra se establecieron en base a la prueba de tamizado, y se utilizó el modelo de contacto Hertz-Mindlin con JKR para simular las partículas finas, húmedas y cohesivas del sustrato. El ángulo de reposo medido por el método del embudo se utilizó como objetivo, se realizaron experimentos de Plackett-Burman para seleccionar parámetros mecánicos de contacto significativos, mientras que se emplearon experimentos de ascenso más pronunciado y Box-Behnken para definir sus rangos de valores. Se construyó un modelo de red neuronal para predecir el ángulo de reposo, y se aplicó un algoritmo genético para optimizar los parámetros mecánicos de contacto significativos. Los perfiles transversales del agujero de prensado se obtuvieron mediante extracción de características del perfil de imagen en la simulación y métodos de proyección de escaneo 3D en el experimento. El coeficiente de fricción dinámica entre partículas, el coeficiente de restitución entre partículas, el coeficiente de fricción dinámica entre partículas y acero inoxidable, y la energía de superficie JKR del sustrato calibrado fueron 0.0349, 0.5448, 0.0233 y 0.4279, respectivamente. La desviación del ángulo de reposo simulado utilizando los parámetros de contacto optimizados fue de 0.4 grados. Las formas de los agujeros prensados obtenidas de la simulación y el experimento mostraron una buena consistencia. La velocidad de prensado no tuvo un efecto significativo en la profundidad media de todos los puntos muestreados, lo que sugiere que se debe establecer una velocidad de prensado más alta para mejorar la eficiencia operativa. La profundidad de prensado tiene un efecto altamente significativo en la profundidad media de todos los puntos muestreados, pero no un efecto significativo en la desviación entre las profundidades medias simuladas y experimentales. La diferencia máxima en la desviación de la profundidad media entre los puntos muestreados simulados y experimentales es de 1.308 mm. Esto demuestra que el modelo de elementos discretos establecido puede simular de manera eficiente y precisa la deformación del agujero de prensado en el sustrato de siembra. Proporciona un modelo de simulación aplicable para el diseño rápido de optimización del agujero de prensado y equipo de siembra.