شماره مدرك :
17504
شماره راهنما :
1899 دكتري
پديد آورنده :
حسينيان، حسن
عنوان :

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

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
طراحي ماشين‌هاي كشاورزي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1400
صفحه شمار :
نوزده، [159]ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
عباس همت
استاد مشاور :
علي اسحق بيگي، عليرضا باغبانان، غلامحسين شاهقلي
توصيفگر ها :
نيروي عمودي , نيمرخ خاك بهم خورده , زاويه حمله , بي‌برگردان ورزي , مقاومت ويژه , درجه خردشدگي , DEM
استاد داور :
مرتضي صادقي، مرتضي نادري بلداجي، محمود بهينا
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/02/18
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
دانشكده :
مهندسي كشاورزي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/02/19
كد ايرانداك :
2828795
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
In the first part of this research, the interactions of a dual sideway-share subsurface tillage implement with soil were modeled by discrete element method (DEM) and eva‎luated in an indoor linear soil bin. In soil bin experiments, soil cutting resistance and soil disturbance characteristics resulting from the tillage tool operating at 0.25 m s-1 and 150 mm cutting depth, were measured. Spherical particles with Hertz-Mindlin contact model and parallel bond between particles were used to simulate agricultural soil aggregates and their cohesive behaviors. Sensitivity analysis was performed to identify the most sensitive parameters of the model that need to be calibrated. With sensitivity analyses, particle stiffness, bond properties and particle-particle coefficient of rolling friction were determined as the most important parameters for calibration. The angle of repose test was employed to calibrate the coefficient of rolling friction. The calibration of bond stiffness was performed through comparing the draft forces of a simple soil engaging tool simulated with DEM and those estimated with an analytical tillage modeling results using a trial-and-error method. The ratio of soil bin measured vertical force to draft force was used in calibration of the most sensitive model parameter, namely, particle shear modulus. Its calibrated value for a sandy clay loam soil was 50 MPa. The calibrated model was validated using the soil forces as well as the soil disturbance characteristics of the tool measured in the soil bin. When comparing the model to the experimental results, the relative error was -2.0% for the average draft force, 2.5% for the average vertical force, -7.7% for the average rupture distance, and 11.7% for the average disturbed area. Therefore, good correlations were achieved between the soil mechanical behaviors obtained by the experiments and the DEM simulations. It can be concluded that in DEM simulations of some tillage tools such as subsurface tillage implement, accurate predictions of the vertical forces as well as the draft forces, could be achieved by calibrating the particle shear modulus using the ratio of vertical force to the draft force applied to the tool. Therefore, in the second part of this research, the discrete element method simulations were used to determine the optimal tool geometry. Simulation of tillage tool-soil interactions provides opportunities to accelerate new equipment design and eva‎luate its performance. The dual bent blade subsurface tillage implement which its performance has been eva‎luated in the field, is a new conservation tillage tool deserving its soil cutting efficiency to be improved by optimizing its geometry using DEM modeling. In order to achieve this objective, the effect of share size (5.9, 7.6, 11.3, 16.8, 22.6 and 28.2 cm), rake angle (7.5°, 15°, 25°, 30°, 35° and 40°), tilt angle (10°, 20°, 25°, 30°, 35° and 40°), and shank rake angle (45°, 60°, 75°, 90° and 97.5°) of the tool plowing at 150 mm depth, on soil cutting forces and soil disturbance characteristics were investigated using the validated DEM model developed in part 1 of this study. Results showed that the draft and vertical forces increased with increasing share size, while the specific resistance (SR) decreased. With increasing share rake angle, the draft force, SR, upward vertical force and the degree of soil pulverization increased. The minimum SR of the tool was at the tilt angle of 20°.
استاد راهنما :
عباس همت
استاد مشاور :
علي اسحق بيگي، عليرضا باغبانان، غلامحسين شاهقلي
استاد داور :
مرتضي صادقي، مرتضي نادري بلداجي، محمود بهينا
لينک به اين مدرک :

بازگشت