Talajművelő szerszám végeselem modellezése

talajmuveloclAz 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.

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

IRODALOM
Égert J. – Pere B. (2011): Végeselem analízis. MSC jegyzet és példatár. UNIVERSITASGYŐR Nonprofit Kft, Győr.
Horváth B. (2003): Erdészeti gépek. Szaktudás Kiadó Ház, Budapest.
Kovács Á. szerk. (2011): Végeselem módszer. Egyetemi tananyag. Typotex Kiadó, Budapest.
Neményi, M. – Mouazen, A. M. – Horváth, B. (1998): Investigation of Forestry deep subsoiling by the finite element method. Hungarian Agricultural Engineering. 11:47-49.

——————-

A következő napokban az alábbi előadás-anyagokat is olvashatja portálunkon az Alföldi Erdőkért Egyesület Kutatói Napjáról:
– A lakitelki erdők leírása, különös tekintettel az őshonosság tükrében – ELOLVASOM >>>
– Az őshonosság fogalmával kapcsolatos elvárások és kétségek – ELOLVASOM >>>
– A Két Víz közének védett és Natura 2000 erdei a változó környezeti viszonyok mellett – ELOLVASOM >>>
– A Szatmár-Beregi kocsányos tölgyesek erdőgazdálkodási tapasztalatai – ELOLVASOM >>>
– Fehérnyár klónok teljesítményvizsgálata alföldi száraz, homoki termőhelyen – ELOLVASOM >>>
– Őshonos nyárfajok genetikai változatossága a Dunántúlon – ELOLVASOM >>>
– Szolnoki árapasztó csatornában végzett beavatkozások árvízre gyakorolt hatásai – ELOLVASOM >>>
– Új hazai, ERTI szelekciójú fűz klón teljesítmény vizsgálata szabadalmi bejelentés megalapozására – ELOLVASOM >>>
– Szelektált akác származások virágzásbiológiai vizsgálata Tiszántúl száraz homoki termőhelyen – ELOLVASOM >>>
– Kocsányos tölgy állomány talajnedvességének változása lékes felújítás során – ELOLVASOM >>>
– Hazai kocsánytalan tölgy állományok faanyag-minőségi kérdései– ELOLVASOM >>>
– Kisalföldi nemesnyár hibridek szárítása – ELOLVASOM >>>
– A magyarországi erdők energetikai célra hasznosítható faanyaga – ELOLVASOM >>>
– Energetikai ültetvények égési jellemzőinek vizsgálata – ELOLVASOM >>>
– A biomassza termesztés és feldolgozás függősége a klímaváltozástól – ELOLVASOM >>>
– Rövid vágásfordulójú energetikai ültetvények lombtömegének vizsgálata, szénkörforgalomban betöltött szerepe – ELOLVASOM >>>
– Forvarderek alkalmazási lehetőségei napjainkban – ELOLVASOM >>>
– Talajművelő szerszám végeselem modellezése —–
– Repceszárból előállított pellet hasznosításának ökoenergetikai kérdései – ELOLVASOM >>>

(Forrás: aee.hu – Engedéllyel közzétéve: Erdő-Mező Online – www.erdo-mezo.hu)

erdomezolike

Hozzászólások

hozzászólás

Vélemény, hozzászólás?