Methodology of Numerical Modeling of the Stress-Strain staTe of an Elastic Stand with a Stiffness Regulator
DOI:
https://doi.org/10.32515/2414-3820.2024.54.142-152Keywords:
disc harrow, surface soil cultivation, elastic stand, stiffness regulator, stress of the elastic stand, soil, disc attack angleAbstract
The physical and mathematical apparatus is presented, which evaluates the peak response of the system (an elastic stand with a disc working body) in a steady state to harmonic loads. It is developed for numerical modeling of the stress-strain state of the elastic stand of a disc harrow with a stiffness regulator in the SOLIDWORKS Simulation software package.
To assess the interaction process of spherical discs on the elastic stand with the soil medium, a harmonic analysis of the peak response of the system in a steady state to harmonic loads was performed. At each step of the solution, all applied loads and base excitations have the same frequency, and their magnitudes are determined by the respective frequency curves, resulting in a visualization of the change in stress distribution of the elastic stand over time. By analyzing this distribution, the dynamics of the change in maximum stress were determined, which are found at the bending of the elastic stand (R2), and additionally, the bending stress on the stiffness regulator (R1). The stress changes according to a damped oscillation law with a defined natural frequency. The obtained results of the stress-strain state study of the elastic stand with the stiffness regulator allow the conclusion that, by having a certain number of elastic stands or modeling their design using modular elements with different geometric characteristics and stiffness, it is possible to construct their amplitude-frequency characteristics and, based on these, determine the planned operating range for specified technological modes.
The analysis of the obtained results showed that for each direction, a maximum amplitude value is observed: for the Ox direction, the first mode corresponds with a frequency of 4.6953 Hz, for the Oy direction, the second mode corresponds (6.645 Hz), and for the Oz direction, the third mode corresponds (62.592 Hz). The theoretical analysis of the oscillation of the elastic stand of the disc tillage implement allowed selecting the following evaluation criteria: the value of the maximum absolute deformation of the stand at the disc attachment point ΔL1 and the tool frame part ΔL2; the values of the maximum stresses at the bends of the stand and the stiffness regulator σR2, σR1; the natural frequencies of the stand's oscillations in three directions ωx, ωy, ωz. It was established that based on this methodological approach, even at the design stage of disc working bodies of tillage implements on elastic stands, it is possible to conclude the feasibility of performing specific technological tasks for surface soil cultivation. By changing the design characteristics of the tool's elastic stands and conducting repeated studies, it is possible to obtain the corresponding dependencies in the form of regression equations.
References
Список літератури
1. Теорія стійкого руху дискової борони / В. В. Адамчук та ін. Механізація та електрифікація сільського господарства Глеваха : ННЦ «ІМЕСГ». 2021. Вип. 14 (113). С. 10–22.
2. Ґрунтообробні агрегати на основі дискових робочих органів : монографія. / Г. В. Теслюк та ін. Дніпропетровськ : ТОВ «Акцент ПП», 2016. 144 с.
3. Визначення якісних показників роботи експериментального дискового лущильника. / В. Ф. Пащенко, М. І.Онишко, І. М.Дорожко, К. В. Сєдих. Вісник ХНТУСГ імені Петра Василенка. Механізація с.-г. виробництва. 2011. Вип. 107. Т.1. Х. С. 195–198.
4. Гуков Я.С. Механіко-технологічне обґрунтування енергозберігальних засобів для механізації обробітку ґрунту в умовах України : автореф. дис. ... докт. техн. наук 05.20.01. Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства». Глеваха, 1998. 32 с.
5. Сєдих К. В. Оцінка структурного складу ґрунту після обробітку експериментальним дисковим лущильником. Механізація та електрифікація сільського господарства: загальнодержавний збірник. 2017. Вип. 6 (105). С. 44–49.
6. Шевченко І. А. Обґрунтування технологій та технічних засобів для обробітку ґрунтів на базі їх агрофізичних показників: дис. … докт. техн. наук: 05.05.11. Таврійський державний агротехнологічний університет. Мелітополь, 2003. 403 с.
7. Шевченко І. А. Керування агрофізичним станом ґрунтового середовища. Київ : Видавничий дім «Вініченко», 2016. 320 с.
8. Лабатюк Ю. М. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів ярусного глибокорозпушувача для зрошуваних ґрунтів : дис. … канд. техн. наук 05.05.11. Інститут олійних культур Національної академії аграрних наук України. Запоріжжя, 2014. 150 c.
9. Гапоненко О. І. Обґрунтування параметрів пружних стояків дискових ґрунтообробних агрегатів: дис. … канд. техн. наук за спеціальністю 05.05.11. Державна наукова установа «Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Леоніда Погорілого». Дослідницьке, 2016. 228 c.
10. Сєдих К. В. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів дискатора з пружними стійками: дис. … канд. техн. наук 05.05.11. Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2021. 248 c.
11. Козаченко О. В., Сєдих К. В., Волковський О. М. Фізико-математична модель взаємодії диска з ґрунтом. Інженерія природокористування. 2020. №2 (16). С. 69–77. DOI: https://orcid.org/10.37700/enm.2020.2(16).69-77.
12. Сімсон Е. А., Хавин В. Л., Ягудин Д. С. Оптимізація індивідуальної пружинної стійки дискової борони. Інженерія природокористування. 2016. №2 (6). С. 81–84.
13. Алієв Е. Б., Теслюк Г. В. Перспективи чисельного моделювання взаємодії ґрунтообробних робочих органів із ґрунтом у Simcenter STAR-CCM+. Олійні культури: сьогодення та перспективи : зб. тез Міжнар. наук. інтернет-конференції (21 березня 2023 р.). Запоріжжя. ІОК НААН. 2023. С. 120–121.
14. Kobets A., Aliiev E., Tesliuk H., Aliieva O. Simulation of the interaction between the working bodies of tillage machines and the soil in Simcenter STAR-CCM+. Machinery & Energetics. 2023. 14 (1), 9–23. DOI: https://orcid.org/10.31548/machinery/1.2023.09.
15. Алієв Е. Б. Чисельне моделювання процесів агропромислового виробництва : підручник. Київ : Аграрна наука, 2023. 340 с. DOI: https://orcid.org/10.31073/978-966-540-584-9.
16. Shih R. H. Introduction to Finite Element Analysis Using SOLIDWORKS Simulation. Paperback. 2023. 518 p.
17. Kurowski P. Preview this book Engineering Analysis with SOLIDWORKS Simulation. Paperback. 2023. 592 p.
18. Дискатор : пат. 153663 Україна : МПК A01B 23/06 / Козаченко О. В., Бакум М. В., Волковський О. М., Крекот М. М. № u 2023 00183; Заявл. 19.01.2023; Опубл. 09.08.2023, Бюл. № 32.
19. Soroushianі A., Farjoodi J., Bargi, K., Rajabi M., Saaed A., Arghavani M., Sharifpour M. M. Two Versions of the Wilson-θ Time Integration Method. Conference: International Conference on Vibration Problems (ICoVP)At: Prague, Czech Republic. 2011. DOI: https://orcid.org/10.13140/2.1.4385.4409
20. Titus J. O. Aminer, N. B. Okelo. Wilson-Theta Algorithm Approach to solution of Dynamic Vibration Equations. International Journal of Mathematics and Soft Computing, 2014. №4 (1). 7–15. DOI: https://orcid.org/10.26708/IJMSC.2014.1.4.02
21. Wolfram S. (2022). Metamathematics: Foundations & Physicalization. Wolfram Media. 456 p.
References
1. Adamchuk, V. V., Bulhakov, V. M., Nadykto, V. T., Kuvachov, V. P., Ihnatʹyev, YE. I., & Olʹt ,YU. (2021). Teoriya stiykoho rukhu dyskovoyi borony [Theory of steady motion of a disk harrow]. Mekhanizatsiya ta elektryfikatsiya silʹsʹkoho hospodarstva, 14 (113), 10–22. [in Ukrainian].
2. Teslyuk, H. V., Volyk, B. A., Sokol, S. P., Kobets, O. M., & Semenyuta, A. M. (2016). Soil processing units based on disk working tools. Dnipropetrovsk: TOV «Aktsent PP» [in Ukrainian].
3. Pashchenko, V. F., Onyshko, M. I., Dorozhko, I. M., & Siedykh, K. V. (2011). Determination of qualitative indicators of the operation of an experimental disk lopper. Visnyk KhNTUSG imeni Petra Vasylenka. Mekhanizatsiya s.-h. vyrobnytstva. Issue. 107 (part 1), 195–198. [in Ukrainian].
4. Gukov, Y. S. (1998). Mechanical-technological substantiation of energy-saving means for mechanizing soil cultivation in Ukraine. Extended abstract of doctor's thesis. Hlevakha [in Ukrainian].
5. Siedykh, K. V. (2017). Evaluation of soil structure after cultivation by an experimental disk lopper. Mekhanizatsiya ta elektryfikatsiya silʹsʹkoho hospodarstva: Zahalʹnoderzhavnyy zbirnyk, Issue 6 (105), 44–49. [in Ukrainian].
6. Shevchenko, I. A. (2003). Justification of technologies and technical means for soil cultivation based on their agro-physical indicators. Doctor's thesis. Melitopolʹ [in Ukrainian].
7. Shevchenko, I. A. (2016). Management of the agro-physical state of the soil environment. Kyiv : Vydavnychyy dim «Vinichenko» [in Ukrainian].
8. Labatyuk, YU. M. (n.d.). Justification of the structural and technological parameters of a tiered deep-ripper for irrigated soils. Candidate's thesis . Zaporizhzhya. [in Ukrainian].
9. Haponenko, O. I. (2016). Obhruntuvannya parametriv pruzhnykh stoyakiv dyskovykh ґruntoobrabnykh ahrehativ [Justification of parameters of elastic racks of disk tillage units]: Candidate dissertation in Technical Sciences, 05.05.11. State Research Institute «Ukrainian Scientific Research Institute of Forecasting and Testing of Equipment and Technologies for Agricultural Production named after Leonid Pohoryloho». Doslidnytsʹke. 228 p. [in Ukrainian].
10. Siedykh, K. V. (2021). Justification of structural and technological parameters of a disc harrow with elastic racks: Candidate's thesis. Kharkiv [in Ukrainian].
11. Kozachenko, O. V., Siedykh, K. V., & Volkovsʹkyy, O. M. (2020). Physical and mathematical model of disk-soil interaction. Inzheneriya pryrodokorystuvannya, 2 (16), 69–77. [in Ukrainian].DOI: 10.37700/enm.2020.2(16). S. 69–77.
12. Simson, E. A., Khavin, V. L., & Yahudin, D. S. (2016). Optimization of the individual spring rack of a disk harrow. Inzheneriya pryrodokorystuvannya, 2 (6), 81–84. [in Ukrainian].
13. Aliiev, E. B., & Teslyuk, H. V. (2023). Prospects for numerical modeling of the interaction of tillage working bodies with soil in Simcenter STAR-CCM+. Abstracts of the International Scientific Internet Conference (March 21, 2023). Oliyni kultury: syohodennya ta perspektyvy. Zaporizhzhya: IOК NAAN. 120–121. [in Ukrainian].
14. Kobets, A., Aliiev, E., Tesliuk, H., & Aliieva, O. (2023). Simulation of the interaction between the working bodies of tillage machines and the soil in Simcenter STAR-CCM+. Machinery & Energetics, 14 (1), 9–23. DOI: https://orcid.org/10.31548/machinery/1.2023.09.
15. Aliiev, E. B. (2023). Numerical modeling of agro-industrial production processes : Textbook. Kyiv : Ahrarna nauka. 340 p. DOI: https://orcid.org/10.31073/978-966-540-584-9. [in Ukrainian].
16. Shih, R. H. (2023). Introduction to Finite Element Analysis Using SOLIDWORKS Simulation. Paperback. 518 p. [in English].
17. Kurowski, P. (2023). Engineering Analysis with SOLIDWORKS Simulation. Paperback. [in English].
18. Kozachenko, O. V., Bakum, M. V., Volkovsʹkyy, O. M., & Krekot, M. M. (2023). Patent Ukrainy na korysnu modelʹ 153663, MPK A01B 23/06. Dyskator [Disk harrow]. No. u 2023 00183; Zayavl. 19.01.2023. Opubl. 09.08.2023. Byul. No. 32. [in Ukrainian].
19. Soroushian, A., Farjoodi, J., Bargi, K., Rajabi, M., Saaed, A., Arghavani, M., & Sharifpour, M. M. (2011). Two Versions of the Wilson-θ Time Integration Method. International Conference on Vibration Problems (ICoVP), Prague, Czech Republic. DOI: https://orcid.org/10.13140/2.1.4385.4409.
20. Titus, J. O., Aminer, N. B., & Okelo. (2014). Wilson-Theta Algorithm Approach to solution of Dynamic Vibration Equations. International Journal of Mathematics and Soft Computing, 4 (1), 7–15. [in English].DOI: https://orcid.org/10.26708/IJMSC.2014.1.4.02.
21. Wolfram, S. (2022). Metamathematics: Foundations & Physicalization. Wolfram Media [in English].
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2024 Oleksiy Kozachenko, Oleksandr Volkovsky, Sergey Dyakonov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
ISSN 
ISSN 
