Simulation of the interaction between the working bodies of tillage machines and the soil in Simcenter STAR-CCM+

Abstract

The lack of simple analytical physical and mathematical models complicates the investigation of the interaction of tillage working bodies with the soil when designing new structures. To simplify these calculations within the framework of agricultural machinery engineering, it is necessary to use software that integrates the development of agricultural mechanics. The purpose of this study was to model and investigate the interaction of tillage working bodies with the soil using Simcenter STAR-CCM+. For this, the volumetric fluid method and the discrete element method were used. When creating the model, the main physical and mechanical properties of the soil were used. As a result, the simulation of the interaction of the most common tillage working bodies, such as a tooth of a duck-foot cultivator, a disc harrow on an elastic stand, a subsoil cultivator (chisel plough), a mouldboard plough, and a smooth roller, was modelled using volumeof-fluid method and discrete element method. The application of the volume-of-fluid method helped establish a nonprimary flow of the soil relative to the working body, while the discrete element method determined the distributions of velocities and forces of interaction of soil particles. It was found that both proposed methods can be useful for modelling the interaction of the tillage working body with the soil in Simcenter STAR-CCM+. Complementing each other, they create a general picture of the physics of the interaction of the tillage tool with the soil. Using Simcenter STAR-CCM+, the interaction process was visualized and the height of the formed ridges and furrow depths and their location in space were determined. The application of the obtained models will enable the agricultural engineers to quickly develop innovative designs of tillage tools based on their interaction with the soil. Відсутність простих аналітичних фізико-математичних моделей ускладнює дослідження процесу взаємодії ґрунтообробних робочих органів із ґрунтом при проєктуванні нових конструкцій. Для того, щоб спростити ці розрахунки в рамках інжинірингу сільськогосподарського машинобудування, необхідно використовувати програмне забезпечення, яке об’єднає напрацювання землеробської механіки. Метою дослідження було моделювання та дослідження процесу взаємодії ґрунтообробних робочих органів із ґрунтом за допомогою Simcenter STAR-CCM+. Для цього було використано метод об’ємної рідини та метод дискретних елементів. В процесі створення моделі використанні основні фізико-механічні властивості ґрунту В результаті було проведено моделювання процесу взаємодії найпоширеніших ґрунтообробних робочих органів, таких як стрілчата лапа культиватора, дискова борона на пружній стійці, глибокорозпушувач (чизельний плуг), відвальний плуг і гладкий коток, за допомогою методів об’ємної рідини та дискретних елементів. Застосування методу об’ємної рідини дозволило встановити непервинний потік ґрунту відносно робочого органу, а метод дискретних елементів дозволив визначати розподіли швидкостей та сил взаємодії частинок ґрунту. Встановлено, що обидва запропонованих методи можуть бути корисними для моделювання взаємодії ґрунтообробного робочого органу з ґрунтом в Simcenter STAR-CCM+. Доповнюючи один одного, вони створюють загальну картину фізики процесу взаємодії ґрунтообробного знаряддя із ґрунтом. За допомогою Simcenter STAR-CCM+ була зроблена візуалізація процесу взаємодії і визначено висоту сформованих гребнів і глибин борозн та їх розташування у просторі. Застосування отриманих моделей дозволить агроінженерам швидко проєктувати нові конструкції ґрунтообробних знарядь спираючись на процесі їх взаємодії із ґрунтом.