شبيه‌سازي مكانيك برهم‌كنش ابزار سطحي‌كار جفت - تيغه كنارسو با خاك با استفاده از روش المان گسسته

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

شبيه سازي برهمكنش خاك و ابزار فرصت مناسبي را براي تسريع طراحي تجهيزات جديد و ارزيابي عملكرد آنها فراهم مي كند. در بخش اول اين تحقيق، برهم‌كنش يك ابزار سطحي‌كار جفت-تيغه كنارسو با خاك به روش المان گسسته (DEM) مدل‌سازي و در صندوق خاك خطي مورد ارزيابي قرار گرفت. در آزمايش‌هاي صندوق خاك، نيروهاي افقي و عمودي وارده به ابزار و ويژگي‌هاي خاك بهم خورده در اثر عبور ابزار خاك‌ورز در سرعت 25/0 متر بر ثانيه و عمق برش 15/0 متر اندازه‌گيري شد. ذرات كروي با مدل تماسي هرتز-ميندلين با پيوند موازي بين ذرات براي شبيه‌سازي خاكدانه‌هاي خاك كشاورزي و رفتارهاي پيچيده آنها استفاده شد. تحليل حساسيت براي شناسايي حساس ترين پارامترهاي مدل كه نياز به كاليبره شدن دارند، انجام شد. با تحليل حساسيت، سفتي ذره، خصوصيات پيوندي و ضريب اصطكاك غلتشي ذره-ذره به عنوان مهمترين پارامترهاي مدل تعيين شدند. براي واسنجي ضريب اصطكاك غلتشي از آزمون زاويه استقرار استفاده شد. واسنجي سفتي پيوند بر واحد سطح از طريق مقايسه نيروهاي كشش يك ابزار ساده درگير با خاك شبيه سازي شده با DEM و نيروهاي تخمين زده شده با نتايج مدل سازي تحليلي خاك‌ورزي با استفاده از روش آزمون و خطا انجام شد. از نسبت نيروي عمودي به نيروي كشش اندازه‌گيري شده در صندوق خاك به منظور واسنجي حساس‌ترين پارامتر مدل، يعني مدول برشي ذرات استفاده شد. كه مقدار واسنجي شده آن براي يك خاك لوم رسي شن دار 50 مگاپاسكال بود. مدل واسنجي شده با استفاده از نيروهاي خاك و همچنين ويژگي هاي خاك بهم خورده در اثر عبور ابزار كه در صندوق خاك اندازه گيري شده بودند، مورد ارزيابي قرار گرفت. هنگام مقايسه مدل با نتايج تجربي، خطاي نسبي 0/2٪ - براي ميانگين نيروي كشش، 5/2٪ براي ميانگين نيروي عمودي، 7/7٪ - براي ميانگين فاصله گسيختگي، و 7/11٪ براي ميانگين منطقه بهم‌خورده بود. بنابراين، همبستگي خوبي بين رفتارهاي مكانيكي خاك در آزمايش‌صندوق خاك و شبيه‌سازي DEM به دست آمد. با توجه به نتايج بدست آمده، در شبيه سازي به روش DEM برخي از ابزارهاي خاك‌ورزي مانند ابزار خاك‌ورز سطحي‌كار، مي‌توان با واسنجي مدول برشي ذرات با استفاده از نسبت نيروي عمودي به نيروي كشش، به پيش بيني دقيق‌تري از نيروهاي عمودي علاوه بر نيروهاي كشش دست يافت. بنابراين در بخش دوم اين تحقيق، از شبيه‌سازي به روش المان گسسته براي تعيين هندسه بهينه ابزار استفاده شد. ابزار خاك‌ورز سطحي‌كار جفت-تيغه كنارسو كه عملكرد آن در مزرعه مورد ارزيابي قرار گرفته است، يك ابزار خاك‌ورزي حفاظتي جديد است كه مي‌توان با بهينه‌سازي هندسه آن، با استفاده از مدل‌سازي به روش DEM، كارايي ابزار را را بهبود بخشيد. براي دستيابي به اين هدف، تأثير اندازه تيغه ابزار (059/0، 076/0، 113/0، 168/0، 226/0 و 282/0 متر)، زاويه حمله تيغه (°75، °15، °25، °30 ، °35 و °40)، زاويه تمايل تيغه (°10 ، °20 ، °25 ، °30 ، °35 و °40)، و زاويه حمله ساق (°45، °60، °75، °90 و °5/97) در عمق كار 15/0 متر، بر روي نيروهاي برش خاك و ويژگي هاي خاك بهم خورده با استفاده از مدل DEM بررسي شد. نتايج نشان داد كه نيروهاي كشش و عمودي با افزايش اندازه تيغه ابزار افزايش مي يابد، در حالي كه مقاومت ويژه كاهش مي‌يابد. با افزايش زاويه حمله تيغه ابزار، نيروي كشش، مقاومت كشش ويژه، نيروي عمودي رو به بالا و درجه خرد شدن خاك افزايش يافت. حداقل مقاومت ويژه ابزار در زاويه تمايل 20 درجه به دست آمد. اما در اين زاويه تمايل، به دليل زاويه جانبي بيشتر تيغه، يكنواختي عمق برش براي يك تيغه عريض، كم بود. با كاهش زاويه حمله ساقه، كشش و نيروهاي عمودي رو به بالا كاهش يافت. نتايج شبيه‌سازي DEM نشان داد كه مي‌توان با توسعه يك ابزار خاك‌ورز سطحي‌كارجفت-تيغه كنارسو با عرض مؤثر برش 53/0 متر با زواياي حمله و تمايل به ترتيب °15 و °10، در حالي‌كه به يك ساق با زاويه °75 متصل مي شود، به طرح بهينه يك ابزار بي برگردان ورز كارآمد، دست يافت كه در عمق كار 15/0 متر در يك خاك لوم رسي شن دار حركت مي‌كند.

211886

طراحي ماشين‌هاي كشاورزي

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان

علي اسحق بيگي، عليرضا باغبانان، غلامحسين شاهقلي

مرتضي صادقي، مرتضي نادري بلداجي، محمود بهينا

عباس همت