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Determination of discrete element model parameters for a cohesive soil and validation through narrow point opener performance analysis
Soil and Tillage Research ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-07-08 , DOI: 10.1016/j.still.2021.105123
Kojo Atta Aikins 1, 2 , Mustafa Ucgul 3 , James B. Barr 3 , Troy A. Jensen 2 , Diogenes L. Antille 2, 4 , Jack M.A. Desbiolles 3
Affiliation  

The discrete element method (DEM) is a powerful tool that can be used to predict soil disturbance and soil cutting forces to assist design optimisation of soil cutting tools. In this study, DEM input parameters were calibrated to model a cohesive soil (Black Vertosol of southern Queensland, Australia) using the hysteretic spring contact model, coupled with linear cohesion model, and nominal particle radius of 5 mm. DEM simulations were validated using experimental results for the effects of opener rake angle and cutting edge chamfer, and bentleg opener shank offset on no-tillage narrow point opener performance. Overall, DEM results closely agreed with experimental results and exhibited similar trends. By using particle displacement analysis to predict loosened furrow boundary, most predictions of furrow parameters namely furrow cross-sectional area, furrow width, and critical depth had relative errors ranging from 1 % to 19 %. Lateral soil throw was predicted with relative errors of 0.2 %–9 %, except for the straight opener with 45° rake angle (-32 %). Ridge height was over predicted in all cases due to larger DEM particles than actual soil particles used. Relative errors of 20 %, 22 %, -31 %, and -5 % in draught were recorded for the straight openers with 90° (blunt), 90° (chamfered), and 45° rake angles, and the bentleg opener, respectively. These results show that DEM and the input parameters determined to model the cohesive soil of this study can be used to reliably assess furrow opener performance.



中文翻译:

粘性土离散元模型参数的确定和通过窄点开沟器性能分析进行验证

离散元法(DEM)是一种强大的工具,可用于预测土壤扰动和土壤切削力,以辅助土壤切削刀具的设计优化。在本研究中,DEM 输入参数经过校准,以使用滞回弹簧接触模型以及线性内聚力模型和 5 毫米的名义颗粒半径对粘性土壤(澳大利亚昆士兰南部的 Black Vertosol)进行建模。使用实验结果验证了 DEM 模拟,以了解开沟器前角和切削刃倒角以及弯腿开沟器刀柄偏移对免耕窄点开沟器性能的影响。总体而言,DEM 结果与实验结果非常吻合,并表现出相似的趋势。通过使用粒子位移分析来预测松动的犁沟边界,大多数对沟渠参数(即沟渠横截面积、沟渠宽度和临界深度)的预测具有 1% 到 19% 的相对误差。除了具有 45° 前角 (-32 %) 的直线开沟器外,预测横向土壤抛撒的相对误差为 0.2 %–9 %。由于 DEM 颗粒比实际使用的土壤颗粒大,所以在所有情况下山脊高度都被高估了。对于前角为 90°(钝头)、90°(倒角)和 45° 前角的直开沟器和弯腿开沟器,分别记录了 20%、22%、-31% 和 -5% 的相对误差. 这些结果表明,DEM 和为模拟本研究的粘性土壤而确定的输入参数可用于可靠地评估开沟器性能。除了具有 45° 前角 (-32 %) 的直线开沟器外,预测横向土壤抛撒的相对误差为 0.2 %–9 %。由于 DEM 颗粒比实际使用的土壤颗粒大,所以在所有情况下山脊高度都被高估了。对于前角为 90°(钝头)、90°(倒角)和 45° 前角的直开沟器和弯腿开沟器,分别记录了 20%、22%、-31% 和 -5% 的相对误差. 这些结果表明,DEM 和为模拟本研究的粘性土壤而确定的输入参数可用于可靠地评估开沟器性能。除了具有 45° 前角 (-32 %) 的直线开沟器外,预测横向土壤抛撒的相对误差为 0.2 %–9 %。由于 DEM 颗粒比实际使用的土壤颗粒大,所以在所有情况下山脊高度都被高估了。对于前角为 90°(钝头)、90°(倒角)和 45° 前角的直开沟器和弯腿开沟器,分别记录了 20%、22%、-31% 和 -5% 的相对误差. 这些结果表明,DEM 和为模拟本研究的粘性土壤而确定的输入参数可用于可靠地评估开沟器性能。对于前角为 90°(钝头)、90°(倒角)和 45° 前角的直开沟器和弯腿开沟器,分别记录了牵伸和 -5% 的牵伸。这些结果表明,DEM 和为模拟本研究的粘性土壤而确定的输入参数可用于可靠地评估开沟器性能。对于前角为 90°(钝头)、90°(倒角)和 45° 前角的直开沟器和弯腿开沟器,分别记录了牵伸和 -5% 的牵伸。这些结果表明,DEM 和为模拟本研究的粘性土壤而确定的输入参数可用于可靠地评估开沟器性能。

更新日期:2021-07-08
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