Talaj-szerszám kölcsönhatás diszkrételemes modelljének fejlesztése mesterséges intelligencia alkalmazásával
A talajművelés, mely során a talaj és egy talajművelő szerszám mechanikai kölcsönhatásba kerül, évszázadok óta a növénytermesztés fontos művelete. Ennek legfőbb célja, hogy a talajt olyan állapotba hozzuk, mely kedvezően hat a termesztendő kultúrnövényeink fejlődésére, terméshozamára. A térségünkben aktuálisan kialakult energiaár- és élelmiszerár-növekedés, illetve a klímaváltozási és csapadékhiányos helyzet felhívja a figyelmet arra, hogy a talaj-szerszám kölcsönhatás vizsgálatára és optimálására még nagyobb hangsúlyt kell fektetni. Ezen vizsgálatokban megérthetjük azokat a fizikai jelenségeket, melyek részben egy művelőszerszám tervezési követelményeinek alapját képzik. Korábbi kutatási eredmények arra mutatnak rá, hogy a művelőszerszám tervezett geometriája és a hozzá választott megfelelő művelési paraméterek (például talajművelési sebesség, szerszámmélység) alkalmazása jelentősen befolyásolják a talajművelés eredményét. Csökkenthetik a talajműveléshez szükséges energiát és művelés közben az üvegházhatású gázok kibocsájtását. Növelhetik a talaj művelés utáni víztartási képességét.
A talaj-szerszám kölcsönhatás vizsgálatában [1] a művelőszerszámra ható átlagos vontatási ellenállást és a művelés során a talajrészecskék haladását tartjuk a legfontosabb makromechanikai jellemző mennyiségeknek. A talaj-szerszám kölcsönhatás vizsgálatához a BME Ipar 4.0 Technológiai Központjában olyan saját laboratóriumi környezetet alakítottunk ki, melyben a megjelölt makromechanikai talajjellemzőket mérések alapján meg tudjuk határozni. Terveztünk és kalibráltunk egy a talajba helyezhető aktív nyomkövető rendszert, mely mesterséges intelligenciát alkalmazva képes jellemezni a talaj-szerszám kölcsönhatás közben a talaj haladását. A környezetben nyomkövetéssel kapcsolva mértük a talajban húzott szerszámra ható vontatási ellenállást is.
A modern tervezési gyakorlat részévé vált a szimulációs módszerek alkalmazása. A talaj-szerszám kölcsönhatásának modellezéséhez egy alkalmazható numerikus szimulációs módszer a diszkrét elemes módszer (DEM) [2]. A DEM szimulációk részfeladata a szemcsés anyag kalibrálása. A megfelelően kalibrált talaj a talaj-szerszám kölcsönhatásának szimulálásakor hiteles eredményeket ad a talajszemcsék mozgásaira és a szerszámra ható talajellenállásra. A modellezett talaj a valós talaj makromechanikai tulajdonságaihoz úgy közelíthető, ha a szemcsés talajmodellben kapcsolódó két szemcse (elem) közti fizikailag közvetlenül nem mérhető mikromechanikai paramétereket megfelelően választjuk meg.
A DEM szimulációkban a szemcsés anyag kalibrálása korábban manuális, empirikus, iterációs folyamat volt. Jelen dolgozatunkban rávilágítunk arra, hogy ez a folyamat genetikus algoritmus alkalmazásával felgyorsítható és automatizálható.
Kutatásainkat annak reményében folytatjuk, hogy eredményeink a szerszám- és műveléstervezést, valamint ezek optimálási folyamatait numerikus szimulációk segítségével automatizálni és gyorsítani tudják.
[1] Tamás, Kornél; Bernon, Louis. Role of particle shape and plant roots in the discrete element model of soil–sweep interaction. Biosystems Engineering, 2021, 211: 77-96.
[2] Bagi Katalin. A diszkrét elemek módszere. Bp.: BME Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék, 2007. ISBN 978-963-420-929-4
szerzők
-
Szabó Bence
Gépészeti modellezés mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc) -
Wágner Árpád
Mérnök informatikus szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Tamás Kornél
egyetemi docens, Gép- és Terméktervezés Tanszék -
Kovács László
Ipar 4.0 témavezető, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék -
Grad-Gyenge László
tudományos segédmunkatárs, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
