Дослідження процесу руйнування зерна кукурудзи з використанням цифрових моделей

Abstract

У сучасному машинобудуванні широкого розповсюдження набуло моделювання систем (Model-Based Systems Engineering, MBSE). Однією з його ключових концепцій є створення і тестування віртуальних моделей проектованих технічних систем. Порівняно з традиційними підходами, цей метод значно скорочує ресурси і час розробки нових машин або вдосконалення існуючих. Однак точність моделювання повністю залежить від точності вхідних даних, які використовуються для симуляції. Це стосується і процесу руйнування вихідного матеріалу, зокрема, зерен кукурудзи. Для отримання достовірних результатів моделювання необхідно створити модель зернівки, яка максимально наближена до реальної, та надати їй фізико-механічні параметри, які найбільш точно відповідають досліджуваному зразку. Метою даного дослідження є створення адекватної віртуальної моделі зернівки кукурудзи в середовищі Simcenter STAR-CCM+ шляхом порівняння сили руйнування, отриманої віртуально та в лабораторних експериментах. На основі вимірювань та огляду досліджень в програмному забезпеченні Simcenter STAR-CCM+ була розроблена модель дискретних елементів (DEM) з використанням агрегації 86 сфер з використанням контактної моделі Герца-Міндліна. Було проведено віртуальний повнофакторний експеримент, в результаті якого були отримані рівняння регресії, що описують залежність сили руйнування ядра від коефіцієнта Пуассона (µp), модуля Юнга (Ep) та граничного розтягу і зсуву (Wp) при різних напрямках навантаження. Розроблено та впроваджено лабораторний стенд, на якому проведено експериментальні дослідження сили руйнування зерен кукурудзи в умовах, аналогічних віртуальному експерименту. Порівняння результатів дозволило виявити значення факторів, при яких модель збігається з результатами лабораторних досліджень: модуль Юнга Ep = 10 МПа, коефіцієнт Пуассона µp = 0,48 та граничне напруження розтягу і зсуву Wp = 2,4 МПа. Отримані результати дозволяють уточнити вхідні параметри при моделюванні зернівки кукурудзи, що забезпечить більш точні віртуальні дослідження процесу руйнування при різних взаємодіях з робочими елементами. U suchasnomu mashynobuduvanni shyrokoho rozpovsiudzhennia nabulo modeliuvannia system (Model-Based Systems Engineering, MBSE). Odniieiu z yoho kliuchovykh kontseptsii ye stvorennia i testuvannia virtualnykh modelei proektovanykh tekhnichnykh system. Porivniano z tradytsiinymy pidkhodamy, tsei metod znachno skorochuie resursy i chas rozrobky novykh mashyn abo vdoskonalennia isnuiuchykh. Odnak tochnist modeliuvannia povnistiu zalezhyt vid tochnosti vkhidnykh danykh, yaki vykorystovuiutsia dlia symuliatsii. Tse stosuietsia i protsesu ruinuvannia vykhidnoho materialu, zokrema, zeren kukurudzy. Dlia otrymannia dostovirnykh rezultativ modeliuvannia neobkhidno stvoryty model zernivky, yaka maksymalno nablyzhena do realnoi, ta nadaty yii fizyko-mekhanichni parametry, yaki naibilsh tochno vidpovidaiut doslidzhuvanomu zrazku. Metoiu danoho doslidzhennia ye stvorennia adekvatnoi virtualnoi modeli zernivky kukurudzy v seredovyshchi Simcenter STAR-CCM+ shliakhom porivniannia syly ruinuvannia, otrymanoi virtualno ta v laboratornykh eksperymentakh. Na osnovi vymiriuvan ta ohliadu doslidzhen v prohramnomu zabezpechenni Simcenter STAR-CCM+ bula rozroblena model dyskretnykh elementiv (DEM) z vykorystanniam ahrehatsii 86 sfer z vykorystanniam kontaktnoi modeli Hertsa-Mindlina. Bulo provedeno virtualnyi povnofaktornyi eksperyment, v rezultati yakoho buly otrymani rivniannia rehresii, shcho opysuiut zalezhnist syly ruinuvannia yadra vid koefitsiienta Puassona (µp), modulia Yunha (Ep) ta hranychnoho roztiahu i zsuvu (Wp) pry riznykh napriamkakh navantazhennia. Rozrobleno ta vprovadzheno laboratornyi stend, na yakomu provedeno eksperymentalni doslidzhennia syly ruinuvannia zeren kukurudzy v umovakh, analohichnykh virtualnomu eksperymentu. Porivniannia rezultativ dozvolylo vyiavyty znachennia faktoriv, pry yakykh model zbihaietsia z rezultatamy laboratornykh doslidzhen: modul Yunha Ep = 10 MPa, koefitsiient Puassona µp = 0,48 ta hranychne napruzhennia roztiahu i zsuvu Wp = 2,4 MPa. Otrymani rezultaty dozvoliaiut utochnyty vkhidni parametry pry modeliuvanni zernivky kukurudzy, shcho zabezpechyt bilsh tochni virtualni doslidzhennia protsesu ruinuvannia pry riznykh vzaiemodiiakh z robochymy elementamy.