بخشی از مقاله
شبیه سازی پروفیل خاک به روش اجزای گسسته و بررسی رفتار شیار بازکن یک بذرکار بیخاکورزی در زمان حرکت در پروفیل طراحی شده
چکیده
طراحی بهینهی ادوات خاکورز، ازجمله ادوات مورد استفاده در خاکورزی اولیه، ثانویه و حتی کـل سـامانههـایی کـه در ماشینهای مورد استفاده در کشاورزی با خاک به منظور برش آن، در تمـاس هسـتند؛ مـی توانـد باعـث افـزایش بـازده انرژی کل مورد استفاده در زمین زراعی گشته و به پایدار سازی الگوی کشاورزی در دراز مـدت کمکـی شـایان نمایـد. مدلسازی دقیق برهم کنش خاک- ابزار کلید اساسی برای این بهینه سازی است و میتواند نیاز به تستهـای مزرعـه ای گرانقیمت بیشمار و زمان توسعه و بررسی نمونه اولیه را کاهش دهد. روش اجزای گسسته که برای مدلسازی رفتار مواد گرانوله استفاده میشود برای مدلسازی خاک و برهم کنش بین خاک و اجسام صلب یا انعطاف پذیر مناسـب اسـت. در این پژوهش به منظور شبیه سازی برهم کنش خاک و شیار بازکن به کار رفته در یک بذرکار بیخاکورزی با اسـتفاده از روش اجـــزای گسســـته، از بخـــش طراحـــی اجـــزای انعطـــافپـــذیر بـــه روش اجـــزای گسســـته، در نـــرم افـــزار آدامز((MSC.ADAMS استفاده شد. پارامترهای مورد بررسی، میزان نیرو و گشتاور وارده بـه شـیار بـازکن پـس از برخورد به پروفیل خاک و بررسی رفتار دینامیکی اولین المان برخورد کنده با شیار بازکن بذرکار پـس از 0/1 ثانیـه، در پارامترهای، جابهجایی، سرعت، شتاب، انرژی جنبشی مورد نیاز برای این حرکت و گشتاور لحظه ای واره به المان مورد بررسی بودند. نتایج نشان داد که بیشینه نیرو و گشتاور وارده به شیاربازکن شبیه سازی شده در اثر برخورد بـا پروفیـل خاک طراحی شده به ترتیب، 76 نیوتن و حدود 8 نیوتن- متر میباشند. نتایج مربوط به تحلیـل حرکتـی المـان مـورد بررسی نشان داد که امکان تحلیل دینامیک حرکتی خاک و تعیین مکان تقریبی قرارگیری خاک در اثر برخورد با عامل خاکورز تا حد مناسبی قابل تعیین میباشد.
واژههای کلیدی: روش اجزای گسسته، مواد گرانوله، رفتار دینامیکی.
مقدمه
کل عملیات خاکورزی انجام شده در یک مزرعه در حدود نیمی از انرژی مورد اسـتفاده در تولیـد محصـول را بـه خـود اختصاص میدهد(.(Kushwaha and Zhang, 1998 طراحی بهینهی ادوات خاکورز، ازجمله ادوات مورد اسـتفاده در خاکورزی اولیه، ثانویه و حتی کل سامانههایی که در ماشینهای مورد استفاده در کشاورزی با خاک به منظور بـرش
1
آن، در تماس هستند؛ میتواند باعث افزایش بازده انرژی کل مورد استفاده در زمین زراعـی گشـته و بـه پایـدار سـازی الگوی کشاورزی در دراز مدت( به دلیل افزایش بازده کل در واحد سطح) کمکی شـایان نمایـد. مدلسـازی دقیـق بـرهم کنش خاک- ابزار کلید اساسی برای این بهینه سازی است و میتواند نیاز به تستهای مزرعـه ای گرانقیمـت بیشـمار و زمان توسعه و بررسی نمونه اولیه را کاهش دهد( مشکانی و همکاران، .(1389 برهم کنش خاک- ابـزار بـه دلیـل تغییـر شکل پذیری سه بعدی خاک، تأثیرات دینامیکی، جریان و اختلاطی که در خاک اتفاق میافتد، فرآیندی بسیار پیچیـده میباشد .(shmulevich, et al, 2007)
با پیدایش روشهای اجزای محدود، این شیوه مقداری از محدودیتهـای روش هـای تحلیلـی را جبـران نمـوده و توانست به روش نظری توزیع تنش، عکس العمل بین خاک و ابزار و همچنین نیروی کششی را پیشبینی کند(عباسپور گیلانده و همکاران، .(1385 تحلیلهای انجام شده به روش المان محدود در مواردی که بحث دینامیک خـاک و بحـث حرکت مطرح میگردد، به دلیل تغییرات بسیار در خاکهای کشاوری نتوانسـته دقـت بـالایی را ارائـه نمایـد و شـرایط واقعــی و دینــامیکی خــاک و ابــزار را توصــیف نمایــد( Kushwaha and Zhang, 1998 & Zhang and
.(Kushwaha, 1999
روش اجزای گسسته که برای مدلسازی رفتار مواد گرانوله استفاده مـی شـود((Cundall and Strack, 1979 برای مدلسازی خاکها و برهم کنش بین خاک و اجسام صلب یا انعطاف پـذیر مناسـب اسـت(.(Owen et al, 2002 تاناکا و همکاران((2000 یک مدل اجزای گسسته برای شبیه سازی برهم کنش یک زیرشکن و خـاک را بـا همبسـتگی کیفی خوبی با کار آزمایشگاهی ارائه دادند. نتایج به دست آمده از شبیه سـازی بـرهم کـنش تیغـه بلـدوزر و خـاک بـا استفاده از مدل اجزای گسسته به خوبی با نتایج آزمایشگاهی همبستگی داشته و نشان دهندهی توانـایی مـدل اجـزای گسسته به عنوان یک ابزار بهینه سازی در طراحی ادوات خـاکورز بـود(.(Hofstetter, 2002 در مـدل سـازی بـرهم کنش تیغه برشی پهن با استفاده از یک برنامه کد نویسی اجزای گسسته دو بعدی که ذرات خاک بـا مـدل چسـبندگی بــین دو ذره مدلســازی شــدند، همبســتگی خــوبی بــین شــبیه ســازی انجــام شــده و نتــایج آزمایشــگاهی مشــاهده
شد(.(Shmulevich et all, 2007
یکی از محدودیتهای عملی در شبیه سازی پروفیل خاک به روش المان گسسته، مشکل اندازهگیری پارامترهـای ذرهای خاک میباشد. ابزارهای اندازهگیری معمول، خصوصیات بزرگ ماهیت خاک را اندازهگیری میکنند در حالی کـه پارامترهای ذرهای جزء خصوصیات ریز ماهیت خاک هسـتند(. (Franco, et al, 2005 بسـیاری از محققـان از روش آزمون و خطا برای تعیین پارامترهـای ریـز ماهیـت خـاک اسـتفاده مـیکننـد(.(Asaf, et al, 2007 خصوصـییات و پارامترهای خاک که بر نیروی کششی و انرژی مورد نیاز ادوات تاثیرگذار میباشد عبارتنـد از: محتـوی رطـوبتی خـاک، جرم مخصوص ظاهری، شاخص مخروطی و بافت خـاک( Abbaspour et all, 2005 & Upadhyaya, 1987 &
.( Upadhyaya, 1984
در این پژوهش به منظور شبیه سازی برهم کنش خاک و شیار بازکن به کار رفته در یک بذرکار بیخـاکورزی بـا استفاده از روش اجزای گسسته، با تأکید بر پارامترهای بزرگ ماهیت خاک، از بخش طراحی اجـزای انعطـاف پـذیر بـه روش اجزای گسسته، در نرم افزار آدامز((MSC.ADAMS استفاده شـد. پارامترهـای مـورد بررسـی ، میـزان نیـرو و گشتاور وارده به شیار بازکن در لحظه برخورد به پروفیل خاک و بررسی رفتار دینامیکی اولین المـان برخـورد کنـده بـا شیار بازکن بذرکار در پارامترهای، جابهجایی، سرعت، شتاب، انرژی جنبشـی مـورد نیـاز بـرای ایـن حرکـت و گشـتاور لحظهای واره به المان مورد بررسی بودند.
2
روشها و مواد شیار بازکن بذرکار مورد مطالعه
شیار بازکن بذرکار مورد بررسی در این پژوهش، مربوط به یک دسـتگاه بـذرکار بـی خـاکورزی آمـازون ( Amazone (NT250 بود(جدول.(1 این شیار بازکن توسط نرم افزار کتیا (CATIA) شبیه سازی شده(شکل(1 و مقـادیر عـرض، زاویه و عمق برش با توجه به شرایط میدانی استفاده از دستگاه در نظر گرفته شد.
جدول .1 مشخصات مربوط به بذرکار آمازون
شکل .1 نمای مجموعه شیار بازکن بذرکار آمازون و نمونه شبیه سازی شده آن در نرم افزار کتیا.
شبیه سازی پروفیل خاک در نرم افزار آدامز
آدامز یکی از قوی ترین، پرمصرفترن و معروفترین نرم افزارهای شبیهسازی سیستمهای دینـامیکی بـوده( رسـتمی و همکاران، (1387 که توانایی شبیه سازی و بررسی رفتار دینامیکی سازهها را دارا میباشد. در ایـن نـرم افـزار ابزارهـایی برای شبیه سازی رفتار دینامیکی اجسام انعطافپذیر در اثر بار وارده به آنها به روش اجزای گسسـته وجـود دارد، کـه پروفیل خاک مورد بررسی در این پژوهش توسط این ابزار طراحی گردید. با استفاده از ایـن روش مـی تـوان بـه صـورت قابل توجهی از اندازهگیری فاکتورهای ریز ماهیت خاک بینیاز شـد. حجـم کـل پروفیـل خـاک طراحـی شـده در ایـن پــژوهش 6000 ســانتی متــر مکعــب (30×20×10) بــوده کــه بــه طــور کلــی از 750 المــان بــه ایــن منظــور اســتفاده گردید(شکل.(2
3
شکل .2 نمای شماتیک المانهای تشکیل دهنده پروفیل خاک، قبل از تعریف خواص درون المانی و بین المانی.
پس از طراحی حجم پروفیل خاک، به تعیین خواص درون المانی و میان المانی پرداخته شـد. مشخصـات خـاکی که به صورت ورودی به نرم افزار آدامز داده شد از تحقیقاتی کـه تکسـت و همکـاران((Tekeste et al, 2009 انجـام داده بودند، استخراج گردید(جدول.(2 خواص درون المانی عبارت بودند از وزن مخصوص ظاهری، مدول یانگ و ضـریب پواسون و خصوصیات میان المانی عبارت بود از اصطکاک داخلی موجود بین ذرات خاک که توسط تکسـت و همکـاران اندازه گیری شده بود.
جدول 2 .مشخصات خاک اندازه گیری شده توسط تکست و همکاران
پس از شبیه سازی پروفیل خاک، سازهای با زاویه ، عرض برش و وزن یکسان با شیار بازکن بذرکار آمازون کـه در نرم افزار کتیا شبیه سازی شده بود در نرم افزار آدامز، فعال سازی شده و بین پروفیل خاک و عامل خاکورز با توجـه بـه اصطکاک اندازهگیری شده توسط تکست و همکاران، 15 قید برخورد با لایهی خارجی خاک ایجاد شد(شکل.(3 سـرعت حرکت عامل خاکورز در 4/6 کیلومتر بر ساعت به عنوان سرعتی تقریبی برای بذرکاری، در نظر گرفته شد.
4
شکل .3 نمای سه بعدی پروفیل خاک، شیار بازکن و قیود بر قرار شده بین اجزا، قسمت سبز رنگ مربوط به نام گذاری 750 المان و بردارها نمایانگر مرکز جرم هر المان به صورت مجزا میباشد.
نتایج
با توجه به شرایط بیان شده، شبیه سازی برخورد شیار بازکن با خاک انجام شد (شکل(4 و پارامترهـای، نیـرو، گشـتاور وارده به شیار بازکن، رفتار دینامیکی اولین المان برخورد کنده با شیار بازکن بذرکار در پارامترهای، جابهجایی، سـرعت، شــتاب و انــرژی ســینماتیکی حرکتــی، در یــک دهــم ثانیــه پــس از برخــورد شــیار بــازکن بــا خــاک انــدازهگیــری شدند(نمودارهای.(4 -1 مقادیر بیشینه و متوسط پارامتر های اندازه گیری شده داده شده است(جدول3و.(4
شکل .4 نمای حرکت المانهای پروفیل خاک در اثر برخورد با شیاربازکن.
