Talajművelő szerszám végeselem modellezése

Hírszerkesztő: Erdő-Mező Online
2014.02.12.
Kategória: Kiemelt, Erdőkutatás, Erő- és munkagép
Forrás: 8559

Az Alföldi Erdőkért Egyesület őszi Kutatói Napján „Talajművelő szerszám végeselem modellezése” címmel tartott előadást Major Tamás a Nyugat-magyarországi Egyetem Erdőmérnöki Karáról. Előadásuk anyagát most az Erdő-Mező Online is közzé teszi.

h i r d e t é s

Az Alföldi Erdőkért Egyesület engedélyével a Kutatói Nap többi előadása is olvasható az Erdő-Mező Online portálon! A cikk alján ajánlót és tartalomjegyzéket is talál! TALAJMŰVELŐ SZERSZÁM VÉGESELEM MODELLEZÉSE Major Tamás Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet. major@emk.nyme.hu ÖSSZEFOGLALÁS A végeselem-módszer (VEM) elterjedése a gyakorlatban megváltoztatta a klasszikus tervezési folyamatot. A VEM alkalmazása beépült a termék előállításának folyamatába. A gyártási költség jelentős részét a kísérleti darabok legyártása és azok próbaüzeme teszi ki. Ezen költségek csak nagy darabszám és/vagy magas termékár esetén térülnek meg. Ezt a költséget jelentős mértékben csökkenti a végeselemes szimuláció. A végeselem-módszer napjainkra a műszaki számítások területén az egyik legelterjedtebb numerikus eljárás olyan feladatok megoldásához, amelyet korábban csak analitikusan vagy nagyon rossz közelítéssel lehetett megoldani. A modellezés során egy speciális forgó késrendszerű pásztakészítő gépet vizsgáltam, VEM-SPH kapcsolt szimulációt segítségével. BEVEZETÉS A végeselem-módszer (VEM) elterjedése a gyakorlatban megváltoztatta a klasszikus tervezési folyamatot (1. ábra). A VEM alkalmazása beépült a termék előállításának folyamatába (2. ábra). talajmuvelo1

A gyártási költség, ezen belül a tervezési költség, jelentős részét a kísérleti darabok legyártása és azok próbaüzeme teszi ki. Ezen költségek csak nagy darabszám és/vagy magas termékár esetén térülnek meg. Ezt a költséget jelentős mértékben csökkenti a végeselemes szimuláció (Kovács, 2011). talajmuvelo2

A szükséges prototípusok száma csökkenthető, jól modellezhető problémák esetén akár el is hagyható a prototípus legyártása. Utóbbi esetben már a sorozatgyártásra lehet azonnal berendezkedni, és elegendő a nullszérián próbaüzemet végezni. A végeselem-módszer napjainkra a műszaki számítások területén az egyik legelterjedtebb numerikus eljárás olyan feladatok megoldásához, amelyet korábban csak analitikusan vagy nagyon rossz közelítéssel lehetett megoldani. (Égert - Pere, 2011). Számos olyan tényező figyelembevehetőségét teszi lehetővé, amelyeket analitikus módszerekkel egyáltalán nem, vagy csak nagy matematikai nehézségek árán lehetne számításba venni. A számítástechnikában beálló gyors fejlődés, a számítógépek kapacitásának, sebességének nagymértékű növekedése, a fizikai jelenségek korábbi években még nem látott bonyolultságú modellezésére, gyors számításokra, az eredmények sokoldalú analizálására adnak módot. ANYAG ÉS MÓDSZER A végeselemes analízisnek három fő lépése van. Ezek a preprocesszálás, az analízis és a posztprocesszálás. A preprocesszálás, vagyis az előfeldolgozás első mozzanata az analizálni kívánt modell CAD alapú szoftver segítségével történő elkészítése. A modell elkészítése után elemezni kell, hogy a modell geometriáján milyen egyszerűsítéseket lehet és célszerű elvégezni a végeselemes analízishez. Ezt kétféle ellentétes kívánalom befolyásolja: − a modell minél jobban helyettesítse a valóságot, ill. − a mechanikai jellemzők jó közelítéssel meghatározhatók legyenek és a feladat bonyolultsága indokolatlanul ne növelje meg a szimuláció idejét. Ezután következik a végeselemes háló generálása. Ez azt jelenti, hogy a vizsgált tartományt véges számú, a modellt egyszeresen lefedő résztartományokra, azaz véges méretű elemekre bontjuk. Lehetőség van a rács sűrűségének egyedi megválasztására, tehát a keresett mennyiség szempontjából a kevésbé fontos területeken ritkább, a fontosabb területeken pedig sűrűbb háló használatára is. A végeselemes háló mérete és minősége (az elemek szabályos geometriai alaktól való eltérése) nagyban befolyásolja az eredmények pontosságát, emellett a közelítésre használt függvények fokszáma is hatással van az eredmény pontosságának alakulására. Lehetőség van a rács sűrűségén, a polinom fokszámán, vagy egyszerre mind a kettőn változtatni a jobb megoldás érdekében. Kétdimenziós modellek esetében a rács alakja leggyakrabban háromszög vagy négyszög alakú, három dimenziónál pedig a tetraéder vagy prizma alakú rács alkalmazása terjedt el. A preprocesszálás során kell megadni az anyagjellemzőket, a kezdeti feltételeket és a kényszereket is. Az analízis (a lineáris algebrai egyenletrendszer megoldása) után következik a kiértékelés (posztprocesszálás). Az eredményeket interaktív módon táblázatosan és grafikusan lehet megjeleníteni. A grafikus megjelenítés lehet szintvonalas, színsávos, vektoriális és függvény jellegű. Az eredmények adatain igény szerint matematikai műveleteket lehet végezni. Az eredmények helyes értelmezése megkívánja, hogy értékeljük a feltételezéseinket, az egyszerűsítéseket és a munka során bevitt hibákat: a matematikai modell létrehozásában, a végeselem modell létrehozásában valamint a végeselem modell megoldásában előforduló hibákat. EREDMÉNYEK ÉS KÖVETKEZTETÉSEK A numerikus analízis során egy speciális forgó késrendszerű pásztakészítő gépet vizsgáltam. A pásztakészítő gép talajművelő szerszáma lényegében egy négyágú forgó kapa, amelynek kése ívelt, s erre három szárny van felhegesztve, a végek felé keskenyedő szárnyszélességgel. A forgó szerszám geometriai modelljét Solid Edge programmal készítettem el, a numerikus analízist pedig az Ansys 13 végeselem programmal végeztem. A talaj szilárdságtani tulajdonságainak leírása a Drucker-Prager anyagmodell segítségével történt. A forgó szerszám működése (haladó és forgó mozgás együtt) tranziens jelenség, amely közben nagy erőhatások, illetve elmozdulások léphetnek fel. Ezt a hagyományos VEM módszerek nem tudják kezelni, ezért VEM-SPH kapcsolt szimulációt alkalmaztam a talajszerszám kapcsolat modellezésére (3. ábra). talajmuvelo3

A szerszámot hagyományos véges elemekből építettem fel, a talajt pedig SPH elemekből. Az SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) elemek a VEM módszerrel ellentétben nem csomópontokhoz vannak kötve, hanem egymáshoz képest bármekkora mértékben elmozdulhatnak. A módszer alapja, hogy a testeket önálló, tömeggel rendelkező részecskékként képzeljük el. Minden részecskének megadunk egy sugarat, aminek kétszeresén belül lévő további részecskéket szomszédokként fogja érzékelni az algoritmus. Egy részecske fizikai tulajdonságai a szomszédok tulajdonságaiból kerülnek kiszámításra egy speciális, általunk választott súlyfüggvény alapján. Az SPH szimulációk nagy előnye, hogy a testek jelentős deformációkon eshetnek át, széttöredezhetnek, egymással elkeveredhetnek, anélkül, hogy ez a futást érdemben veszélyeztetné. A szimuláció során 1,5 km/h haladási sebesség és 58 1/p fordulatszám mellett a vonóerőre a 4. ábra szerinti eredményeket kaptam. A zaj ellenére is megfigyelhető egy sinusos görbe. Ennek oka az, hogy folyamatosan változik az, hogy a szerszám mekkora része merül a földbe. A vonóerő legnagyobb értékének megközelítőleg 900 N, átlagos értéknek pedig 500 N adódik, mely értékek reálisnak mondhatók. talajmuvelo4