| Project/Area Number |
23K05468
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
岡安 崇史 九州大学, 農学研究院, 教授 (70346831)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 耕うんシミュレーション / 個別要素法解析 / 耕うん実験 / 切削・投てき挙動 / トルク / 摩耗 / 所要動力削減 / デジタルツイン / 所要動力削 減 / 作業機の高寿命化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、耕うん作業時の土壌の切削、破砕、攪拌、投てき、反転等の力学的挙動と土壌と作業機との力学的相互作用を同時かつ現実的に予測できる3次元解析手法の開発と、各種作業条件下での高精度な耕うんシミュレーションの実施により、耕うん作業の最適化・高度化、所要動力削減による省エネ化、作業機の高寿命化等に寄与する新たな設計理論を構築することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，耕うん作業における土壌の切削・破砕・攪拌・投てき・反転といった複雑な挙動と，土と作業機との力学的相互作用を，同時かつ高精度に予測可能な3次元解析手法の開発を行うことを目的とする．各種作業条件下での詳細な耕うんシミュレーションを通じて，耕うん作業の最適化・省エネ化（所要動力の低減）・作業機の高寿命化に資する新たな設計理論の構築を目指している．
本年度は，前年度に引き続き，ロータリ耕うん時の土の切削・投てき現象に加え，耕うん爪の変形および摩耗特性にも着目した．砂質粘土層を用いて，1本のロータリ爪による土壌の切削・投てき挙動を実験的に調査し，爪が土壌表面に接触してからのトルク波形を計測した．3水準の耕うんピッチ（100，150，200 mm）におけるDEM解析によるトルク波形と実測値の比較では，良好な一致が得られた．
また，切削・投てき現象に関して実験結果とDEM解析結果を比較・検証したところ，砂質粘性土の特性により，切削開始時に即座に破砕されるのではなく，爪の接触部から徐々に亀裂が伝播し，最終的に土が投てきされる様子が確認された．亀裂は爪の軌跡に沿って円弧状に進展し，DEM解析でも同様の亀裂伝搬が再現された．しかしながら，DEM解析では実際より大粒径の粒子を使用しているため，切削面が粗くなり，投てき挙動の精度に限界があることが課題となった．
一方で，耕うん爪の摩耗については，粒子との接触により徐々に進行する現象として注目し，DEM解析により接触荷重と相対すべり量の積を摩耗エネルギとして定義し，摩耗の生じやすい部位の特定とその可視化を試みた．その結果，摩耗しやすい領域は，1) 爪の周縁部，2) すくい面の先端，3) 背面の平坦部であることが示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，3水準の耕うんピッチに対するロータリ耕うん時のトルクと土壌挙動（切削・投てき）について，DEM解析結果と実測結果の比較・照査を行い，投てきを除いておおむね良好な一致が確認された．特に，投てき挙動の再現性に関しては，DEM解析における粒子サイズが現実と乖離していることが影響していると考察された．
また，DEM解析を用いて爪と粒子間の接触荷重および相対すべり量を抽出し，その積から求めた摩耗エネルギに基づいて摩耗の分布を可視化する試みを行い，摩耗が発生しやすい領域の特定に成功した．
以上より，当初の目的はおおむね達成されたと評価している．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，DEM解析に用いる材料定数の見直しや解析モデルの高度化を行い，土壌の切削・投てき挙動の予測精度をさらに向上させる予定である．解析と実験結果の一致度を高めることで，耕うん現象の詳細な解析・評価が可能なデジタルツイン環境の構築を目指す．
具体的には，さまざまな条件下で実施した耕うん実験の結果と，それに対応するDEM解析結果を基に，耕うん時のトルクや所要動力などの力学データ，および切削・投てきといった土壌の運動特性を総合的に評価し，実用的な耕うんシミュレータの完成を目指す．
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