dissertação

Calibração de parâmetros de contato de frutos de café pelo método dos elementos discretos

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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola

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Tecnologia e produção
Trabalho

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura

Dados abertos

Resumo

A caracterização de frutos de Coffea arabica L. é fundamental para representar, por meio do Método dos Elementos Discretos (DEM), operações de colheita, transporte e processamento do café. Este trabalho teve como objetivo caracterizar experimentalmente e calibrar um modelo DEM para frutos da cultivar Mundo Novo, considerando estádios verde, verde-cana e maduro, além de uma mistura representativa para o ensaio de ângulo de repouso. Foram determinadas propriedades físicas, morfométricas e de contato, incluindo atrito estático, atrito dinâmico, restituição, resistência ao rolamento e ângulo de repouso, em interações fruto–fruto e fruto–superfície com madeira e metal. A modelagem foi conduzida no Rocky DEM, com frutos representados por esferas equivalentes, e a calibração foi baseada no ângulo de repouso experimental da mistura sobre superfície metálica. O procedimento incluiu delineamento Plackett–Burman (PB), refinamento local da resistência ao rolamento, delineamento Box– Behnken (BB) exploratório e validação em cinco leitos granulares independentes. Os parâmetros finais calibrados foram: atrito estático fruto–fruto = 1,300; atrito dinâmico fruto– fruto = 0,280; restituição fruto–fruto = 0,433; resistência ao rolamento = 0,145; atrito estático fruto–metal = 0,444; atrito dinâmico fruto–metal = 0,423; e restituição fruto–metal = 0,559. O conjunto final apresentou erro absoluto médio (MAE) de 2,645° e raiz do erro quadrático médio (RMSE) de 3,047° na validação. Verificou-se que a configuração inicial das partículas no leito granular constitui fonte de variação da resposta macroscópica. A resistência ao rolamento apresentou o maior efeito estimado entre os parâmetros de contato avaliados na etapa de triagem.

Abstract

The characterization of Coffea arabica L. fruits is essential for representing coffee harvesting, transport, and processing operations through the Discrete Element Method (DEM). This study aimed to experimentally characterize and calibrate a DEM model for coffee fruits of the Mundo Novo cultivar, considering green, semi-ripe, and ripe maturation stages, as well as a representative mixture for the angle of repose test. Physical, morphometric, and contact properties were determined, including static friction, dynamic friction, restitution, rolling resistance, and angle of repose, for fruit–fruit and fruit–surface interactions with wood and metal. The numerical modeling was conducted in Rocky DEM, with fruits represented by equivalent spheres, and calibration was based on the experimental angle of repose of the mixture on a metal surface. The procedure included a Plackett–Burman design (PB), local refinement of rolling resistance, an exploratory Box–Behnken design (BB), and validation using five independent granular beds. The final calibrated parameters were: fruit–fruit static friction = 1.300; fruit–fruit dynamic friction = 0.280; fruit–fruit restitution = 0.433; rolling resistance = 0.145; fruit–metal static friction = 0.444; fruit–metal dynamic friction = 0.423; and fruit–metal restitution = 0.559. The final parameter set showed a mean absolute error (MAE) of 2.645° and a root mean square error (RMSE) of 3.047° during validation. The initial arrangement of particles in the granular bed was found to be a source of variation in the macroscopic response. Rolling resistance showed the largest estimated effect among the contact parameters evaluated during the screening stage.

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Área de concentração

Máquinas e Mecanização Agrícola

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SUARES CARDOZO, Edna Jeraldy. Calibração de parâmetros de contato de frutos de café pelo método dos elementos discretos. 2026. 101 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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