Schneidprozesse von landwirtschaftlichen Halmgütern: Mais - Experiment und Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Ludger Frerichs
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531520334

Der Schneidprozess an der Häckseltrommel stellt mit mehr als 50% der Gesamtleistungsaufnahme den Hauptarbeitsprozess eines Feldhäckslers für die Maisernte dar. Zahlreiche Prozessparameter sowie die anschließende Beschleunigung des Häckselgutes beeinflussen die Leistungsaufnahme des Schneidprozesses. Um diesen Prozess im Hinblick auf eine Reduzierung der Leistungsaufnahme zu optimieren, soll in dem vorliegenden Forschungsvorhaben ein computergestütztes Verfahren basierend auf der Kombination der Diskreten Elemente Methode (DEM) und der Virtuellen Elemente Methode (VEM) entwickelt werden, mit dem der Schneidprozess simuliert werden kann. Mit Hilfe einer umfangreichen experimentellen Kampagne soll der Modellierungsansatz an Maisstängel kalibriert und validiert werden. Im Bereich der Halmguternte wird die DEM eingesetzt, um den Gutfluss innerhalb der Maschine während des Ernteprozesses abzubilden und zu optimieren. Bei der Untersuchung des Trennverhaltens mit der DEM wird der Halm aus Partikeln aufgebaut, zwischen denen ein phänomenologisches Bindungsgesetz formuliert wird. Ein wesentlicher Nachteil der DEM besteht darin, dass die Kontaktmechanik der DEM physikalische Eingangsgrößen wie die Form der Messergeometrie (Schneid- und Anstellwinkel) oder die Schneidgeschwindigkeit während des Schneidvorgangs nicht berücksichtigt. Daher wird der Trennvorgang der Bindungen unter anderem durch ein experimentell ermitteltes Kennfeld zur Beschreibung des Materialversagens abgebildet. Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll das Kennfeld anstelle einer aufwändigen Versuchskampagne durch eine lokale Analyse des Trennprozesses mit Hilfe eines hochaufgelösten VEM-Modells ermittelt werden. Dabei fließen schichtspezifische Materialeigenschaften, Informationen zum Materialversagen und Schneidprozessparameter in das VEM-Modell ein. Ein wesentlicher Vorteil des VEM-Modells ist die Möglichkeit, verschiedene Prozessparameter in der Simulation einzustellen und so eine Korrelation zwischen Materialversagen, Reaktionskraft, Leistungsaufnahme und der Prozessparametern zu erhalten. Um das VEM-Modell zur Kalibrierung der Bindungsparameter im DEM-Modell des Maishalms verwenden zu können, werden die strukturmechanischen, Material- und Versagenseigenschaften des Halms durch Experimente auf Halmgewebeebene und am gesamten Halm bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen