بخشی از مقاله
چکیده
عملیات خاک ورزی در حدود نیمی از انرژی مورد نیاز برای تولید محصول را به خود اختصاص می دهد. درک رابطهی صحیح بین وسیله خاک ورز و خاک و اصلاح طرح ابزار خاک ورز به بهبود بازده انرژی کمک خواهد کرد . مدلسازی صحیح بر هم کنش بین خاک و ادوات، کلید اساسی برای این بهینه سازی است . با ایجاد مدل به روش المان گسسته می توان نیروی مقاومت کششی را به هنگام استفاده از تیغه خاک ورز در طرحهای مختلف بدست آورد.
برای انجام این تحقیق تیغه های پاراپلو و معمولی در دو حالت با پره و بدون پره، در عمق 15 cm و سرعت 5 cm/s مورد آزمایش قرار گرفتند، سپس توسط نرم افزار تجاری المان گسسته - PFC3D - شبیهسازی شدند. تاثیر این پارامتر بر روی بازده کششی و مقدار گسیختگی خاک مورد بررسی قرار گرفت . با توجه به نتایج مدلسازی با اضافه کردن پره به تیغه پاراپلو افزایش نیروی مقاومت کششی در حدود 40 درصد، و برای تیغه معمولی افزایش نیروی مقاومت کششی در حدود30 درصد بدست آمد.
مقدمه
آماده سازی زمین زراعی همیشه برای محققان، طراحان، تولید کنندگان و کشاورزان یک مسئله مهم بوده است . تهیه بستر بذر و زیر شکن کردن زمین زراعی در کشاورزی دقیق از اهمیت خاصی برخوردار است . مدلسازی دقیق بر هم کنش خاک و ابزار می تواند نیاز به آزمایش های مزرعهای پر هزینه را حذف کند و زمان توسعه نمونه اولیه و تحقق آن را کاهش دهد.
تاکنون روشهای متفاوتی برای تعیین بر هم کنش بین خاک و ابزار مورد مطالعه قرار گرفته است. روشهای عملی و آزمایشگاهی بسیار زمان بر هستند همچنین پیش بینی دقیق نیروهای عمل کننده روی تیغه خاک ورز مستلزم در نظز گرفتن شرایط اولیه ابزار خاک ورز مانند شکل و ابعاد تیغه و ضریب اصطکاک خاک و فلز و نوع خاک و شرایط کاری مانند سرعت، زاویه و عمق و عرض برش می باشد. در حالی که روش های عملی به علت هزینه و زمان ا نجام تست به عمق و سرعت های خاصی محدود شده و نتایج بدست آمده بستگی به دقت ابزار اندازه گیری دارد. روش المان محدود - FEM 2 - نیز روش دیگری است برای تعیین بر هم کنش خاک و ابزار به کار رفته است با توجه به اینکه تغییر فرم خاک به خصوص در فرآیند خاکورزی شامل جداسازی و اختلاط لایههای خاک و ظهور ترکها، و جریان ذرات خاک است، روش FEM روش مناسبی برای تعیین این بر هم کنش نمیباشد.
روش المانهای مجزا - DEM - یکی از روش های عددی است که برای مدلسازی مواد گرانوله و یا مواد گسسته به کار رفته و بسیار مناسب می باشد. همچنین این روش قابلیت مدلسازی تغییرات پلاستیکی بزرگ و ناپیوستگی در ماده را دارد . برای مدلسازی بر هم کنش بین خاک و تیغه خاک ورز مناسب بوده و به عنوان روشی برای مطالعه جنبه دینامیکی این بر هم کنش به کار می رود. رفتار غیر خطی خاک، بر هم کنش خاک و ابزار به خوبی توسط این روش مدل می شود. در این روش مواد به صورت مجموعه از المان های گسسته در نظر گرفته می شوند.
روابط مکانیکی بین المانها با ثابتهای فنر نرمال، ثابت فنر مماسی و پارامترهای اصطکاکی تعیین میشوند. روش المان-های گسسته مبتنی بر کاربرد مکرر معادلادت حرکت نیوتنی برای تحلیل یک مجموعه متشکل از تعداد زیادی عناصر مجزا می باشد. در این روش مقدار نیروی تماسی، انتقال و دوران ذرات، از حل گام به گام زمانی معادلات دینامیکی در فضای سه بعدی که مبتنی بر قانون دوم نیوتن می باشد بدست می آید. وجود کامپیوترهای پرسرعت کاربرد این شیوه تحلیل و پرداختن به مدلسازی مواد گرانوله را موجه نموده است . مقدار نیروی تماسی بین المانها بستگی به شکل تداخل، جنس المانها و سرعت نسبی المانها درمنطقه تماس بستگی دارند
شکل -1 برخورد الاستیک دو المان به هنگام تداخل
در نتیجه به نظر می رسد این روش راه امید بخشی برای مدلسازی بر هم کنش خاک گرانوله و ابزار خاک ورز باشد و به عنوان روشی برای بهینه سازی فرآیند طراحی بکار گرفته شود
پیشینه تحقیق
مطالعات مختلف در مورد فرآیند خاک ورزی صورت گرفته و بررسی میزان کار آمدی ادوات، توصیف رفتار خاک، تحقیق در مورد عوامل موثر بر کارکرد ادوات خاکورزی عنوان برخی از این تحقیقات میباشد.
کیانی و همکاران - 1390 - تیغههای پاراپلو و معمولی را در دو حالت با پره و بدون پره طراحی کردند . سپس اثر پره را بر روی تیغه پاراپلو و معمولی مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که اثر پره بر روی نیروی مقاوم کششی در هر دو نوع تیغه معمولی و پاراپلو معنی دار بوده است. مدلسازی انجام گرفته در این تحقیق بر پایه کار این محققین
صورت گرفته است . اسپور و گادوین ٌ - 1987 - اثر پره های اضافه شده به تیغه های زیرشکن معمولی را بررسی کردند.
نتایج نشان داد که با افزودن پره، نیروی مقاوم کششی مورد نیاز حدود 30 درصد افزایش یافته در صورتی که مساحت خاک بهم خورده دو برابر می شود. این افزایش تأثیر عملکرد عملیات خاکورزی را با کاهش مقاومت ویژه تا 30 درصد، به طور معنی داری افزایش می دهد. عملکرد تیغههای پهن و باریک در شبیه سازی های سه بعدی با استفاده از روش المان مجزا توسط شمولویچ ٍ - 2010 - با استفاده از برنامه کد نویسی تجاری PFC3D توسعه یافته شرکت آیتسکاَ - 2005 - مقایسه شد .
نتایج حاصل از تحقیقات شمولویچ نشان داد که شرایط خاک بعد از شخم با ابزار مشخص، را می توان توسط مدل المان مجزا پیش بینی کرد . گاوآهن برگرداندار بهترین ابزار برای استفاده در این تحقیق تعیین شد . ژنگُ و لی - 2006 - روش المان مجزا را برای مدلسازی خاک و بر هم - کنش بین خاک و بدنه های صلب یا انعطاف پذیر مناسب اعلام کردند . این روش برای مدلسازی خاکهای چسبنده نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.
فرانکوِ و همکاران - 2006 - با استفاده از روش المان های گسسته دو بعدی در خاک غیر چسبنده تیغه یک بولدزر را شبیه سازی کردند . شبیه سازی در زوایه های متفاوتی از حمله و تمایل تیغه و عمق مختلف گرفت . نتایج نشان داد که نیروی کشش 7/24 برابر نیروی کشش پیش بینی شده توسط مدل ریاضی مک کیزّ و علی - 1977 - بود و نیروی عمودی تیغه 1/55 برابر همان مدل ریاضی بود .
تاناکاْ و همکاران - 2000 - یک مدل DEM سع بعدی برهم کنش زیر شکن ارتعاشی با خاک، با هم بستگی کیفی خوبی با کار آزمایشگاهی ارائه داد ند. نتایج شیبه سازی برای بهینه سازی شکل پایه های زیرشکن مورد استفاده قرار گرفت . هرنرَ و همکاران - 2001 - یک مدل DEM سه بعدی از بر هم کنش بین گاوآهن و خاک را برای بررسی تغییر شکل خاک در حین و بعد از عمل شخم زنی ارائه دادند. نتایج کیفی خوبی را در خاک بدست آوردند. آزافُ و همکاران - 2007 - پارامترهای خاک را با در نظر گرفتن موارد شبه استاتیک، مدل های دوبعدی و خاک های بدون چسبندگی با استفاده از روش - DEM - به دست آوردند .
تعیین پارامترهای مدل بر اساس تست های نفوذ صورت گرفت که در دو حالت آزمایشگاهی و شبیه سازی انجام شد . برای به حداقل رساندن خطا از روش حل معکوس الگوریتم نلدر- مید استفاده گردید. خطای تخمین اولیه در این کار کمتر از 15% گزارش شد. همبستگی خوبی برایرفتار مکانیکی خاک بین آزمایشات و شبیه سازی های المان مجزا بدست آمد . بعضی از پارامترهای مدل، مثل پارامترهای فنری مدل میتوانند با استفاده از مکانیک پیوسته و تئوری های برخورد هرتزیان تعیین شوند. اما روش قدرتمندی برای تعیین همه پارامترهای مدل وجود ندارد
