Numerikus analízis alkalmazása forgó szerszám fejlesztéséhez

Hírszerkesztő: Erdő-Mező Online
2015.01.07.
Kategória: Kiemelt, Erő- és munkagép
Forrás: 15229

Az Alföldi Erdőkért Egyesület 2014. évi őszi Kutatói Napján “Numerikus analízis alkalmazása forgó szerszám fejlesztéséhez” címmel tartott előadást Major Tamás doktorandusz. Ennek anyagát most az Erdő-Mező Online is közzé teszi.

Az Alföldi Erdőkért Egyesület engedélyével a 2014-es Kutatói Nap többi előadása is olvasható lesz az Erdő-Mező Online portálon! A cikk alján ajánlót és tartalomjegyzéket is talál! NUMERIKUS ANALÍZIS ALKALMAZÁSA FORGÓ SZERSZÁM FEJLESZTÉSÉHEZ Major Tamás doktorandusz; Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet. 9400 Sopron, Ady E. u. 5., Telefonszám: (99) 518-136, E-mail: major@emk.nyme.hu Összefoglalás A korábban készült gépek − így a talajművelő gépek is − gyakorlati tapasztalatok alapján készültek, ezek vizsgálata, elméletének leírása nagyobbrészt hiányzik. A gépvizsgálat, a gépek modellezése ma már fontos része új mezőgazdasági gépek tervezési és fejlesztési munkálatainak. Egy új szerszámnak a pontos szilárdságtani méretezése csak szabadföldi mérések és modern matematikai-mechanikai módszerek (végeselem-módszer) felhasználásával végezhető el. A szerszám és a talaj kapcsolatának modellezésével lehetővé válik a fejlesztés idejének és költségének jelentős csökkentése. Mivel a forgó szerszám működése közben nagy erőhatások, illetve elmozdulások lépnek fel a hagyományos végeselem-módszer nem alkalmazható, ezért VEM-SPH kapcsolt szimulációt alkalmaztunk. A VEM-SPH kapcsolt szimuláció segítségével 1 km/h és 1,5 km/h haladási sebességnél meghatároztuk a forgó szerszámra ható vízszintes irányú erő nagyságát az idő függvényében. A szimulációs eredményekre illesztett függvény segítségével megállapítottuk a vízszintes irányú erő átlagos és legnagyobb értékét. Bevezetés A vizsgált pásztakészítő gép talajművelő szerszáma egy négyágú forgó kapa, amelynek kése ívelt (R=340 mm), s erre három pár szárny van felhegesztve, a végek felé keskenyedő szárnyszélességgel (55 mm, 45 mm és 35 mm). A szárnyak elhelyezése a kés ívére merőleges, a kések a forgásirányhoz viszonyítva hátrahajlóak. Az ívelt kések és a szárnyak 50°-os szögben vannak élezve a talajba hatolás megkönnyítése céljából. A forgó szerszám geometriai modelljét (1. ábra) Solid Edge programmal készítettük el, a numerikus analízis pedig az Ansys 13 végeselem programmal történt. [caption id="attachment_15237" align="aligncenter" width="600"]

1. ábra: A forgó szerszám geometriai modellje[/caption] Anyag és módszer A geometria előkészítésének fázisában először az Ansys program DesignModeler moduljában kialakítottuk a szerszámot körülvevő talaj modelljét. A talaj felszínét a szerszám tengelyétől 200 mm-re definiáltuk, így a kapa geometriai méreteiből adódóan a munkamélység 220 mm. A szerszám köré 1100 mm hosszú, 600 mm széles és 350 mm mély talajvályút készítettünk (2. ábra). [caption id="attachment_15236" align="aligncenter" width="600"]

2. ábra: A forgó szerszám és a talajvályú[/caption] A jobb minőségű hálózás érdekében a geometriai modellen egyszerűsítéseket hajtottunk végre, nevezetesen a csavarfuratokat és a tengely furatát eltüntettük. A modellezés során a szerszám hálózására tetraéder elemeket alkalmaztunk. A talajlazítót merev testnek tekintettük, a talaj szilárdságtani tulajdonságainak leírására pedig a Drucker-Prager anyagmodellt alkalmaztuk (Bojtár, 1988). A Drucker-Prager anyagmodell a Mohr-Coulomb anyagmodell egy módosítása. A D-P modell alakja a főfeszültségi térben egy kúp (3. ábra), így ennél az alakzatnál numerikus számítási problémák nem lépnek fel a képlékenységi felületen. [caption id="attachment_15235" align="aligncenter" width="600"]

3. ábra: Folyási feltétel 3 dimenziós feszültségi állapot esetén[/caption] Az anyagmodell alapadatait (közepesen tömör talaj) a BME Építőmérnöki Kar Geotechnikai Tanszékének mérési eredményei szolgáltatták (Mouazen - Neményi - Horváth, 1998), mivel erdei talajokra ilyen irányú vizsgálatok nem történtek (1. táblázat). [caption id="attachment_15234" align="aligncenter" width="600"]

1. táblázat: A talaj és a talaj - szerszám kapcsolat tulajdonságai[/caption] A forgó szerszám működése (haladó és forgó mozgás együtt) tranziens jelenség, amely közben nagy erőhatások, illetve elmozdulások léphetnek fel. A végeselem-módszer (VEM) csak kis elmozdulások és erőhatások esetén alkalmazható, ugyanis nagy elmozdulások esetén a végeselem háló folytonossága megszűnik, aminek következtében a szimuláció megakad. Hagyományos VEM módszerrel az anyag szakadásának modellezése gyakorlatilag lehetetlen, ezért VEM-SPH kapcsolt szimulációt alkalmaztunk a talaj-szerszám kapcsolat modellezésére. A szerszámot hagyományos véges elemekből építettük fel, a talajt pedig SPH elemekből. Az SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) − a VEM módszerrel ellentétben − teljes mértékben hálófüggetlen numerikus módszer (Gingold - Monaghan, 1977; Monaghan, 1988; Monaghan, 1992), melyet kezdetben csillagászati számításokra használtak, majd áramlástani modellezéseknél is alkalmazni kezdték. Az utóbbi időben pedig földcsuszamlások modellezésére is sikeresen felhasználták (Bui H. H. et. al., 2008). Az SPH elemeket önálló részecskékként képzeljük el, melyek bizonyos tulajdonságokkal rendelkeznek (pl. tömeg, sűrűség stb.), illetve térbeli elhelyezkedésük és sebességük minden időpillanatban ismert. Nem csomópontokhoz vannak kötve, hanem egymáshoz képest bármekkora mértékben elmozdulhatnak. 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. Az SPH elemek méretét 14 mm-nek választottuk. A számítások során az SPH elemek száma 147.885, a végeselem háló elemszáma 34.446-ra adódott. A szerszám süllyedésének és elfordulásának megakadályozására kényszereket alkalmaztunk. Eredmények és következtetések A szimulációt 1 km/h és 1,5 km/h haladási sebesség, illetve 58 1/min fordulatszám mellett futtatva a szerszámra ható vízszintes irányú reakcióerőre a 4. ábra szerinti eredményeket kaptuk. A zaj ellenére is megfigyelhető egy sinusos görbe. Ennek oka az, hogy folyamatosan változik a szerszám talajban lévő része. [caption id="attachment_15233" align="aligncenter" width="600"]

4. ábra: Vonóerő alakulása az idő függvényében 1 km/h haladási sebesség esetén[/caption] A vonóerő átlagos, illetve legnagyobb értékének meghatározására a ponthalmazra a STATISTICA programmal sinus függvényt illesztettünk és korrelációanalízist végeztünk. forgoeszkoz_6

Az adatok centírozásával (finomításával) javítható a korrelációs együttható értéke (R=0,89344-re), de lényegi eltérés nem tapasztalható a függvény futásában. A függvény együtthatóiból adódóan 1 km/h haladási sebességnél a vonóerő átlagos értéke 560 N, legnagyobb értéke 882 N; 1,5 km/h haladási sebességnél pedig 636 N, illetve 992 N. Az illesztett függvények a ponthalmazokkal az 5. és 6. ábrán láthatók. [caption id="attachment_15231" align="aligncenter" width="600"]