Experimental calibration of parameters of the contact model of the digital twin of the soil environment by the method of discrete elements | Экспериментальная калибровка параметров контактной модели цифрового двойника почвенной среды методом дискретных элементов

Английский. The discrete element method (DEM) is one of promising methods for simulating the processes of tillage and sowing by working bodies of agricultural implements. Calibration of the parameters of the contact model used is an important step in DEM to obtain adequate results. To calibrate the parameters of the Hertz-Mindlin JKR contact model which uses the Hertz contact model to describe normal forces, the Mindlin-Deresevich model for tangential forces, and the Johnson-Kendall-Roberts (JKR) model for accounting forces of soil particle adhesion, calibration is used by comparing the results of physical tests to determine penetration force of PSG-MG4 static penetrometer and similar model tests implemented by an identical device in the Rocky DEM software package. The results of calibration of the DEM contact model parameters of the soil environment have shown that of the selected parameters (Poisson's ratio 0.3, static friction coefficient 0.9, dynamic friction coefficient 0.7, particle diameter 5 mm, Young's modulus 100 MPa), the nature of the change in the penetration force of the simulated soil environment is significantly influenced by surface energy. Based on a comparison of the results of live and model experiments, a nomogram has been developed for selecting the value of the surface energy of the simulated soil environment depending on the real soil humidity for the Hertz-Mindlin JKR contact model for sandy loam chernozem. The calibration results for surface energy from 120 to 160 J/m² correspond to optimal soil moisture within 14% and 25%. The results obtained should be used in modeling the tillage technological process and developing digital twins of tilling and seeding machines based on them to predict energy and agrotechnical indices. It is also planned to create a digital twin of the soil channel with calibration of the physico-mechanical properties of various types of soil.

Русский. Метод дискретных элементов (МДЭ) считается одним из перспективных способов при моделировании процессов обработки почвы и посева рабочими органами сельскохозяйственных орудий. Важным этапом моделирования МДЭ для получения адекватных результатов является калибровка параметров используемой модели контакта. Для калибровки параметров используемой модели контакта Герца-Миндлина JKR, в которой для описания нормальных сил применяется модель контакта Герца, для тангенциальных сил – модель Миндлина-Дересевича, а для сил учета сцепления почвенных частиц – модель Johnson-Kendall-Roberts (JKR), использована калибровка путем сопоставления результатов физических тестов по определению усилий пенетрации пенетрометра статического действия ПСГ-МГ4 и аналогичных модельных тестов, реализованных идентичным прибором в программном комплексе Rocky DEM. Результаты калибровки параметров контактной МДЭ-модели почвенной среды показали, что из выбранных параметров (коэффициент Пуассона 0,3, коэффициент статического трения 0,9, коэффициент динамического трения 0,7, диаметр частиц 5 мм, модуль Юнга 100 МПа) на характер изменения усилия пенетрации моделируемой почвенной среды значительно влияет поверхностная энергия. На основе сопоставления результатов натурных и модельных экспериментов разработана номограмма для выбора значения поверхностной энергии моделируемой почвенной среды в зависимости от влажности реальной почвы для контактной модели Герца-Миндлина JKR для чернозема легкосуглинистого. Полученные результаты калибровки по поверхностной энергии от 120 до 160 Дж/м² соответствуют оптимальной влажности почвы в диапазоне от 14% до 25%. Полученные результаты необходимо применять при моделировании технологического процесса обработки почвы и разработки на их основе цифровых двойников почвообрабатывающих и посевных машин для прогнозирования энергетических и агротехнических показателей. Планируется создание цифрового двойника почвенного канала с калибровкой физико-механических свойств различных типов почвы.