Конечно-элементное моделирование взаимодействия отвала бульдозера с глинистым грунтом

Abstract

RU: Цель. При проектировании современных землеройных машин одной из актуальных задач является выбор рациональных геометрических параметров рабочих органов. В настоящее время для нахождения силы резания грунта используются экспериментальные данные, на основе которых установлены значения удельного сопротивления грунта резанию. Однако данный параметр зависит от большого количества факторов, которые не всегда поддаются учету. Поэтому требуется разработка теоретических подходов к моделированию взаимодействия рабочих органов строительных машин с грунтом, которые учитывают его упруго-пластические свойства. Целью представленной работы стала разработка методики численного решения задачи о таком взаимодействии. Методика. Предложен алгоритм конечно-элементного моделирования контактного взаимодействия отвала бульдозера с грунтом, свойства которого описываются расширенной моделью Друкера-Прагера, в среде программной системы ABAQUS. При создании модели грунта применен восьмиузловой конечный элемент C3D8, который использует линейную интерполяцию в каждом направлении и представляет собой элемент первого порядка. Использована явная схема интегрирования уравнений движения элементов модели по времени. Результаты. Установлено распределение напряжений и деформаций в массиве грунта при горизонтальном перемещении отвала. Показано, что полученные результаты соответствуют экспериментальным данным, приведенным в работах иных исследователей. Найдены зависимости от времени движущей силы, которая обеспечивает движение отвала с заданной скоростью при разных толщинах срезаемого слоя. Выполнен анализ влияния угла наклона отвала на величину силы резания. Продемонстрировано, что увеличение скорости движения отвала в два раза приводит к необходимости увеличения потребной мощности на срезание грунта в 2,4…2,8 раза в зависимости от толщины срезаемого слоя. Научная новизна. Разработана методика конечно-элементного решения задачи о динамическом контактном взаимодействии рабочего органа землеройной машины с грунтом, позволяющая учесть особенности его упруго-пластического деформирования. Установлено влияние толщины срезаемого слоя, угла наклона поверхности отвала на величину силы, обеспечивающей перемещение грунта. Практическая значимость. Применение разработанной методики анализа позволяет оптимизировать конструкцию отвала, выбрать оптимальные режимы работы машины в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемого грунта. Полученные результаты также дают возможность теоретического определения потребной мощности энергетической установки бульдозера, при которой обеспечивается наибольшая эффективность эксплуатации строительной машины.

UK: Мета. При проектуванні сучасних землерийних машин однієї з актуальних задач є вибір раціональних геометричних параметрів робочих органів. В даний час для знаходження сили різання грунту використовуються експериментальні дані, на основі яких встановлені значення питомого опору грунту різанню. Однак даний параметр залежить від великої кількості факторів, які не завжди піддаються обліку. Тому потрібна розробка теоретичних підходів до моделювання взаємодії робочих органів будівельних машин з грунтом, які враховують його пружно-пластичні властивості. Метою представленої роботи стала розробка методики чисельного рішення задачі про таку взаємодію. Методика. Запропоновано алгоритм кінцево-елементнего моделювання контактної взаємодії відвалу бульдозера з грунтом, властивості якого описуються розширеної моделлю Друкера-Прагера, в середовищі програмної системи ABAQUS. При створенні моделі грунту застосований восьміузловой кінцевий елемент C3D8, який використовує лінійну інтерполяцію в кожному напрямку і є елементом першого порядку. Використана явна схема інтегрування рівнянь руху елементів моделі за часом. Результати. Встановлено розподіл напружень і деформацій в масиві грунту при горизонтальному переміщенні відвалу. Показано, що отримані результати відповідають експериментальним даним, наведеним в роботах інших дослідників. Знайдено залежності від часу рушійної сили, яка забезпечує рух відвалу із заданою швидкістю при різних товщинах зрізаного шару. Виконано аналіз впливу кута нахилу відвалу на величину сили різання. Продемонстровано, що збільшення швидкості руху відвалу в два рази призводить до необхідності збільшення потрібної потужності на зрізання ґрунту в 2,4…2,8 рази залежно від товщини шару, що зрізається. Наукова новизна. Розроблено методику кінцево-елементнего рішення задачі про динамічну контактну взаємодію робочого органу землерийної машини з грунтом, що дозволяє врахувати особливості його пружно-пластичного деформування. Встановлено вплив товщини зрізаного шару, кута нахилу поверхні відвалу на величину сили, що забезпечує переміщення грунту. Практична значимість. Застосування розробленої методики аналізу дозволяє оптимізувати конструкцію відвалу, вибрати оптимальні режими роботи машини в залежності від фізико-механічних властивостей грунту, що розробляється. Отримані результати також дають можливість теоретичного визначення потрібної потужності енергетичної установки бульдозера, при якій забезпечується найбільша ефективність експлуатації будівельної машини.

EN: Purpose. The choice of rational geometrical parameters for working parts is one of the topical problems in the design process of modern earthmoving machines. Nowadays to find soil cutting force it is applied the experimental data – the base for values of soil resistivity for cutting. However, this parameter depends on many factors that can not always be considered. Therefore it is required to develop theoretical approaches to modeling of the construction machinery working parts -soils interaction taking into account soil elastic-plastic properties. The purpose of the presented work is to develop numerical solution methods for such an interaction problem. Methodology. There was supposed an algorithm for finite element modeling of the bulldozer blade-clay soil contact interaction considering the soil properties described by the extended Drucker-Prager model in ABAQUS software system. To create a soil model it was applied the 8-node C3D8 finite element. This element uses linear interpolation in each direction and represents the first-order element. The explicit scheme for integrating of the elements motion equations by time was used. Findings. The distribution of stresses and strains in the soil array for the case of blade horizontal movement was established. It is shown that the obtained results correspond to the experimental data presented in the investigations of other researchers. There were found the time-dependences for the driving forces which providing the blade movement with a given velocity for the different cutting layer thicknesses. The analysis of the blade slope angle influence on the cutting force angle was performed. It was demonstrated that the two times increase in the blade velocity leads to a need for soil cutting power requirement increase in 2,4...2,8 times depen ding on the cut layer thickness. Originality. There was developed the method of finite element solution for the problem of the dynamic contact interaction between earthmoving machine working part and the soil. The method allows to take into account the peculiarities of soil elastic-plastic deformation. The influence of the cut layer thickness and the blade slope angle on the value of force ensuring the soil movement was established. Practical value. The application of the developed method allows to optimize the design of the blade, to choose optimal modes for the machine operation depending on the physical and mechanical properties of the cut soil. The results also make it possible to determine theoretically power requirements for the bulldozer power unit to ensure the highes t operational efficiency of the construction machines.