Innovation im Ackerbau Virtuelles Konstruktionswerkzeug für kürzere Entwicklungszeit

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Altair DEM- und CFD-Technologie optimiert die pneumatische Sätechnik vom Landmaschinenhersteller Amazone. Amazone konnte so die Abhängigkeit von teuren Prototypen verringern und den Entwicklungszyklus verkürzen. Ausserdem wurde eine optimale Verteilung der Samen erreicht und der Ertrag gesteigert.

Unternehmen in der Landmaschinenbranche stehen unter enormem Druck, den wachsenden Anforderungen der Branche gerecht zu werden. Neben der Qualität von Saatgut und Boden sind genau und effizient arbeitende Landmaschinen für hohe Erträge unerlässlich. Im Ackerbau kann so zum Beispiel der Einsatz von Präzisionssämaschinen die Ernteerträge steigern.

Ein führender Anbieter von Landmaschinen ist das 1883 gegründete Unternehmen Amazone, mit Hauptsitz in Osnabrück, Deutschland. Amazone entwickelt und produziert innovative Systeme für den Ackerbau, in den Bereichen Sätechnik, Bodenbearbeitung, Düngung, Pflanzenschutz und vieles mehr. Um seinem Anspruch an kontinuierliche Innovation gerecht zu werden, nutzt Amazone bei der Konstruktion und Entwicklung seiner Maschinen die Technologie von Altair und verhilft so seinen Kunden zu maximalen Erträgen. Ein Beispiel dafür ist ein Projekt, bei dem Amazone mit Simulation die Saatgutablage in seinen pneumatischen Sämaschinen optimiert hat.

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Vorhersagemodelle für die Saatgutverteilung

Eine präzise Saatgutverteilung sorgt dafür, dass jede Pflanze Platz zum Wachsen hat, maximiert die Erträge und minimiert den Einsatz von teurem Saatgut und Düngemitteln. Dies erfordert jedoch ein tiefes Verständnis des dynamischen Verhaltens von Saatgut innerhalb des pneumatischen Fördersystems. Die Untersuchung des Saatguttransportprozesses ist jedoch aufgrund der Komplexität der dynamischen Wechselwirkungen, der Kosten und der Schwierigkeit, experimentelle Untersuchungen für grosse Maschinen zu skalieren, sowie der begrenzten Erkenntnisse aus herkömmlichen Tests schwierig. In einem früheren Projekt half der Einsatz von Altair Edem bei der Entwicklung von Düngemaschinen Amazone, das System besser zu verstehen und die Entwicklungszeit zu verkürzen. Aufbauend auf den Erfolgen der Düngemaschine wurde daher im ersten Schritt dieses Projektes, ein Vorhersagemodell entwickelt, das die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) koppelt, um den Saatguttransportprozess abzubilden. Ziel der Optimierung war es, eine ideale Verteilung der Samen zu erreichen, um so den Ertrag zu steigern und gleichzeitig den Materialverbrauch zu reduzieren.

DEM und CFD-Simulation zur Untersuchung der Partikel-Fluid-Wechselwirkungen

Der Schwerpunkt des Projekts lag auf der Modellierung eines kritischen Teilsystems der pneumatischen Sämaschine. Dieses besteht aus dem Partikeltank, dem Dosierer, der pneumatischen Förderstrecke, dem Steigrohr und dem Verteilerkopf. Um möglichst effizient eine bidirektionale Kopplung abzubilden, wurde das System auf die relevantesten Teile reduziert.

Dieser Ansatz half dem Team, die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Saatgutpartikeln und dem umgebenden Luftstrom zu erfassen, sodass die Ingenieure von Amazone das Verhalten der Sämaschinen besser verstehen und die Konstruktion der Maschine optimieren konnten.

Zunächst wurden mithilfe einer gekoppelten DEM- und CFD-Modellierung die Partikel-Fluid-Wechselwirkungen in einem pneumatischen System analysiert, das Weizenkörner transportiert. Edem modellierte die Weizenkörner als nicht-sphärische (ellipsoide) Partikel, um die Geometrie der Samen hinreichend genau abzubilden, und integrierte dabei genaue physikalische Modelle für Standardreibung, Luftwiderstand und Auftriebskräfte.

Für die CFD-Analyse wurde Altair Acusolve verwendet. Die Strömung wurde mittels SA Turbulenzmodell simuliert und berücksichtigt hinsichtlich der nicht sphärischen Partikel Luftwiderstand und Auftriebskräfte. Das Team berücksichtigte in dem Modell eine pneumatische Fördergeschwindigkeit von 20 m/s sowie eine Partikelzufuhrrate von 0,18 kg/s.

Die bidirektionale Kopplung berücksichtigt die aufgrund der Strömung auf die Partikel wirkenden Kräfte sowie den rückwirkenden Einfluss der Partikel auf die Strömung. Während des gesamten Prozesses bestimmte Edem das Partikelverhalten, während AcuSolve das Fluidfeld aktualisierte und die Luftwiderstands- und Auftriebskräfte an Edem zurückmeldete.

Bessere Erträge und nachhaltiger Anbau dank Simulation

Die Zusammenarbeit zwischen Amazone und Altair hat gezeigt, wie gekoppelte DEM-CFD-Simulationen die Aussaat-Technologie verändern können. Durch die genaue Modellierung dynamischer Partikel-Fluid-Wechselwirkungen hat das Projekt die intelligente Pflanzenproduktion auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Dieser Durchbruch verbessert nicht nur die Ernteerträge, sondern unterstützt auch nachhaltige Anbaumethoden und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen in der Präzisionslandwirtschaft.

Im Detail lieferte der Einsatz der DEM-CFD-Simulation folgende Ergebnisse:

• Verkürzte Entwicklungszeit: Durch den Einsatz virtueller Konstruktionswerkzeuge konnte Amazone die Abhängigkeit von teuren physischen Prototypen minimieren und den Entwicklungszyklus um rund 40 % verkürzen.

• Besseres Systemverständnis: Die Simulation lieferte beispiellose Einblicke in die interne Dynamik der Förderstrecke und ermöglichte es den Ingenieuren, die Saatgutförderprozesse zu optimieren, die mit physischen Tests allein kaum zu beobachten waren.

• Optimierte Saatgutverteilung: Die Simulationsergebnisse zeigten eine starke Korrelation mit den experimentellen Testdaten, die anhand des gemessenen Varianzkoeffizienten für die Partikelmasse an den Auslässen bewertet wurden. Die Experimente ermöglichten es dem Team, das Verhalten der Massenverteilung entlang des Steigrohrs zu untersuchen, um die Gleichmässigkeit der Saatgutverteilung zu optimieren.

• Nachhaltige Ressourcennutzung: Die präzise Saatgutablage reduzierte den Materialverbrauch, schont teures Saatgut und maximiert gleichzeitig die Erträge. Dies half Amazone, sein Engagement für nachhaltige und effiziente Anbaumethoden einzuhalten.

• Höhere Rentabilität: Durch die Verbesserung der Effizienz der Saatgutverwendung und die Maximierung der Erträge können Landwirte ihre Rentabilität steigern und die Inputkosten senken.

«Durch den Einsatz der Altair DEM-CFD Simulationslösung, die die Leistungsfähigkeit von Edem und AcuSolve kombiniert, konnten wir eine präzise Saatgutplatzierung erreichen und die Entwicklung beschleunigen, was den Landwirten effizientere und nachhaltigere Anbaulösungen ermöglicht», bestätigt Jan Bruns, Berechnungsingenieur, Amazone.

Der Erfolg dieses Projekts bildet die Grundlage für die Skalierung simulationsgetriebener Konstruktionen auf andere Landmaschinen. So plant Amazone beispielsweise in naher Zukunft eine komplette Maschine virtuell dazustellen. In Zusammenarbeit mit Altair sollen dann auch KI-basierte Modelle mit reduzierter Ordnung und GPU-Beschleunigung zum Einsatz kommen, um so die Simulationsfähigkeiten zu verbessern und den Agrarsektor weiter zu optimieren.

Neueröffnung

Altair eröffnet neues Büro in Zürich

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