Печать

PDF Скачать статью в pdf.

DOI: 10.15507/2658-4123.26363.483-499

EDN: https://elibrary.ru/ivzfes

УДК 631.3:633.358:004.9:519.854

 

Параметры модели цифрового двойника гороха для моделирования методом дискретных элементов

 

Мухаметдинов Айрат Мидхатович
кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией (научно-исследовательской) цифровых двойников и конструирования машин для химической и биологической защиты Башкирского государственного аграрного университета, (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3802-8151, Researcher ID: G-3461-2018, Scopus ID: 57204634851, SPIN-код: 8297-3621, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мударисов Салават Гумерович
доктор технических наук, профессор, академик Академии наук Республики Башкортостан, ведущий научный сотрудник лаборатории цифровых двойников и конструирования машин для химической и биологической защиты растений Башкирского государственного аграрного университета, (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9344-2606, Researcher ID: G-2217-2018, Scopus ID: 57200284613, SPIN-код: 6893-9957, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мифтахов Ильнур Ринатович
кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории цифровых двойников и конструирования машин для химической и биологической защиты растений Башкирского государственного аграрного университета, (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3125-3532, Scopus ID: 57204635364, SPIN-код: 9429-5990, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Аннотация
Введение. В контексте разработки энергосберегающих технологий и машин на основе цифровых двойников наиболее востребованным для моделирования технологического процесса посева является метод дискретных элементов. Его преимущество – минимизация затрат на создание новой техники за счет виртуального тестирования и оптимизации. Ключевой задачей является преодоление масштабного разрыва между физико-механическими свойствами семян и макроскопическими показателями качества работы высевающего аппарата. Создание адекватных цифровых двойников, учитывающих свойства реальных семян, позволит повысить качество моделирования и точность прогнозирования, что является необходимым условием для последующего увеличения урожайности.
Цель исследования. Определение параметров контактной модели цифрового двойника семян гороха для моделирования методом дискретных элементов.
Материалы и методы. Объектом исследования является процесс калибровки параметров контактной модели Linear Spring Dashpot применительно к семенам гороха. Этапы проведения исследования включают: выявление ограничения методов калибровки при моделировании движения семян; определение влияния влажности и фракционного состава семян на коэффициенты трения; разработку методики калибровки контактной модели с учетом силового воздействия в условиях, близких к работе высевающего аппарата; верификацию моделей путем сравнения DEM-моделирования с данными натурных экспериментов в катушечном аппарате.
Результаты исследования. Установлен фракционный состав семян гороха, показавший выраженную полидисперсность материала. Доминирующая фракция (83,4 %) имеет диаметр 6,0–7,0 мм, что учтено при параметризации DEM-модели в программном комплексе Rocky DEM для создания репрезентативного цифрового двойника. Экспериментально доказано существенное влияние влажности семян на их фрикционные свойства. С увеличением влажности от 9 до 23 % коэффициент динамического трения возрастает, что приводит к закономерному росту крутящего момента на валу высевающего аппарата с 0,3 до 1,0 Н·м. Разработана и апробирована комплексная методика калибровки, использующая в качестве критерия соответствия крутящий момент на валу высевающей катушки сеялки. Установлен диапазон основных параметров контактной модели Linear Spring Dashpot, обеспечивающий высокую точность моделирования: коэффициент динамического трения между семенами kd = 0,14...0,16; коэффициент динамического трения семян cо стенками аппарата kd.k = 0,07...0,09. Разработана номограмма выбора коэффициента динамического трения в зависимости от влажности семян гороха.
Заключение. Использование предложенной методики калибровки на основе крутящего момента позволяет создавать высокоточные цифровые двойники, пригодные для оптимизации конструктивно-технологических параметров высевающих аппаратов, что способствует повышению качества посева и ресурсосбережению в сельскохозяйственном производстве.

<Ключевые слова: контактная модель, крутящий момент, коэффициент динамического трения, фракционный состав, семена гороха, цифровой двойник, моделирование методом дискретных элементов

Финансирование: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-76-10070 (https://rscf.ru/project/23-76-10070).

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Мухаметдинов А.М., Мударисов С.Г., Мифтахов И.Р. Параметры модели цифрового двойника гороха для моделирования методом дискретных элементов. Инженерные технологии и системы. 2026;36(3):483–499. https://doi.org/10.15507/2658-4123.26363.483-499

Вклад авторов:
А. М. Мухаметдинов – создание и подготовка рукописи: визуализация результатов исследования и полученных данных.
С. Г. Мударисов – формулирование идеи исследования, целей и задач.
И. Р. Мифтахов – создание и подготовка рукописи: написание черновика рукописи, включая его перевод на иностранный язык.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 17.11.2025;
поступила после рецензирования 04.03.2026;
принята к публикации 05.03.2026

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Coetzee C.J. Calibration of the Discrete Element Method and the Effect of Particle Shape. Powder Technology. 2016;297:50–70. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.04.003
  2. Horabik J., Molenda M. Parameters and Contact Models for DEM Simulations of Agricultural Granular Materials: A Review. Biosystems Engineering. 2016;147(2):206–225. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2016.02.017
  3. Ghodki B.M., Kumar K.C., Goswami T.K. Modeling Breakage and Motion of Black Pepper Seeds in Cryogenic Mill. Advanced Powder Technology. 2018;29(5):1055–1071. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.01.023
  4. Ghodki B.M., Patel M., Namdeo R., Carpenter G. Calibration of Discrete Element Model Parameters: Soybeans. Computational Particle Mechanics. 2019;6(1):3–10. https://doi.org/10.1007/s40571-018-0194-7
  5. Bangura K., Gong H., Deng R., Tao M., Liu C., Cai Y., et al. Simulation Analysis of Fertilizer Discharge Process Using the Discrete Element Method (DEM). PLoS ONE. 2020;15(7):e0235872. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0235872
  6. Gao X., Zhou Z.Y., Xu Y., Yu Y.B., Su Y., Cui T. Numerical Simulation of Particle Motion Characteristics in Quantitative Seed Feeding System. Powder Technology. 2020;(367):643–658. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.021
  7. Gao X., Cui T., Zhou Z., Yu Y., Xu Y., Zhang D., et al. DEM Study of Particle Motion in Novel High-Speed Seed Metering Device. Advanced Powder Technology. 2021;32(5):1438–1449. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.03.002
  8. Lee S., Park J. Standardized Friction Experiment for Parameter Determination of Discrete Element Method and its Validation Using Angle of Repose and Hopper Discharge. Multiscale Science and Engineering. 2019;(1):247–255. https://doi.org/10.1007/s42493-019-00020-6
  9. Sharaby N., Doroshenko A., Butovchenko A. Modelling and Verification of Sesame Seed Particles Using the Discrete Element Method. Journal of Agricultural Engineering. 2022;53(2). https://doi.org/10.4081/jae.2022.1286
  10. Fan J., Wang H., Sun K., Zhang L., Wang L., Zhao J., et al. Experimental Verification and Simulation Analysis of a Multi-Sphere Modelling Approach for Wheat Seed Particles Based on the Discrete Element Method. Biosystems Engineering. 2024;(245):135–151. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2024.07.009
  11. Wang J., Wang R., Ju J., Song Y., Fu Z., Lin T., et al. Study on the Influence of Grooved-Wheel Working Parameters on Fertilizer Emission Performance and Parameter Optimization. Agronomy. 2023;13(11):2779. https://doi.org/10.3390/agronomy13112779
  12. Mudarisov S.G., Mukhametdinov A.M., Farkhutdinov I.M. Determination of Physical and Mechanical Parameters of Granular Mineral Fertilizers for use in Digital Twins. Polythematic Online Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2024;(204):478–499. Available at: http://ej.kubagro.ru/2024/10/pdf (accessed 19.08.2025).
  13. Pazouki A., Kwarta M., Williams K., Likos W., Serban R., Jayakumar P., et al. Compliant Contact Versus Rigid Contact: A Comparison in the Context of Granular Dynamics. Physical Review E. 2017;(96):042905. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.042905
  14. Мударисов С.Г., Мухаметдинов А.М., Фархутдинов И.М. Обзор параметров и моделей контактов для моделирования семян и гранулированных удобрений методами дискретных элементов. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2024;(197):58–85. URL: http://ej.kubagro.ru/2024/03/pdf (дата обращения: 19.08.2025).
  15. Мударисов С.Г., Фархутдинов И.М., Имангулов В.Х., Подолякин В.А., Насыров Р.Р. Оценка значимости и выбор параметров контактной модели при моделировании семян гороха методом дискретных элементов. Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024;19(1):54–60. https://doi.org/10.12737/2073-0462-2024-54-60
  16. Хижняк В.И., Шейкин А.С., Хижняк Д.В., Яценко П.Л., Хронюк В.Б. Исследование размерных характеристик семян гороха для разработки и эксплуатации сельскохозяйственных машин. Вестник аграрной науки дона. 2024;17(4):59–68. URL: http://vd.achgaa.ru/n68_24.html (дата обращения: 19.08.2025).
  17. Мартеха А.Н., Топорцев В.В. Влияние различных способов сушки на физико-механические свойства и всхожесть семян гороха. Агроинженерия. 2024;26(1):65–72. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2024-1-65-72

 

Лицензия Creative Commons
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Подробности
Просмотров: 3