S vývojem nových zařízení, technologií či způsobu zpracování jednotlivých produktů se vyvíjí také možnosti návrhu zařízení, nástrojů či způsobu úprav již stávajících technických řešení. V Centru sypkých hmot České republiky jsou využívány tyto návrhy či úpravy, již zhotovených inženýrských děl, nejmodernějšími způsoby. Jedná se například o programy pro simulaci částic materiálů s potřebnými vazbami a další pro efektivní a přesné analýzy simulačních dat.
Úvod
Již v předchozích číslech jsme se zabývali představením matematických modelů a využití simulací k efektivnějšímu návrhu nebo již vzniklého inženýrského díla. Metoda, která byla v minulých dílech představena, se nazývá tzv. metoda diskrétních prvků (dále DEM). S potřebnou znalostí mechanicko-fyzikálních vlastností sypkého materiálu a mezičásticových vazeb dokáže metoda simulovat sypký materiál jako hmotu. Tuto hmotu je poté možné dopravovat, skladovat, upravovat a v případě zemědělství například do hmoty vnikat cizím tělesem (orba, kypření, podmítání, kultivace atd.).
Zase o krok dál
Protože stále roste náročnost návrhu nebo úprav již hotových inženýrských děl, je nutné využívat vhodné nástroje, které dokáží efektivně zpracovat data. Zpracováním a analýzou dat lze vhodně určit problém při návrhu zařízení a předejít tak neefektivnímu konceptu a finančním ztrátám. Centrum sypkých hmot České republiky využívá pro inovace, experimenty a návrhy inženýrských děl metodu DEM. Tato metoda je založena na simulaci kvant částic s vlastními mechanicko-fyzikálními vlastnostmi a mezičásticovými vazbami, které zastupují masu částic jako celek. Simulovanou masu částic lze poté na různých inženýrských dílech dopravovat, skladovat, upravovat či do nich vnikat nástroji. Naše laboratoř využívá pro větší stupeň přesnosti také možnost kombinace metod DEM a FEM (finite element method, metoda konečných prvků). Uvedený krok umožňuje také efektivněji navrhovat či upravovat inženýrská díla a zařízení s menší finanční náročností než u klasické metody s využitím prototypů. V budoucnu bude metoda návrhu simulacemi standardem a bude se pravděpodobně využívat v mnoha vědních oborech.
Pevnostní a deformační analýza držáku orného tělesa – kombinace metod DEM a FEM
Pro experimenty je vhodné používat materiál se stálými mechanicko-fyzikálními vlastnostmi. Proto při tvorbě tohoto experimentu byly využity naměřené hodnoty suché křemičité zeminy. Potřebné parametry byly zadány do simulačního prostředí využívající metodu DEM a byla vytvořena simulace prostupu orného tělesa skrze zeminu. Hodnoty mechanicko-fyzikálních vlastností této zeminy byly zjištěny z měření a materiálových knihoven laboratoře Sypkých hmot České republiky.
Dále bylo importováno orné těleso, kterému byly přiřazeny potřebné mechanicko-fyzikální vlastnosti, a následně bylo virtuálně pokryto sítí, která snímá působící účinky materiálu.
Po vzniklé simulaci byla exportována data znázorňující působení sil proti pohybu orného tělesa.
Pro napěťové a deformační stavy na držáku orného tělesa byl použit program využívající analýzy pomocí metody FEM. Do této analýzy byl vložen totožný model orného tělesa, který byl použit v předchozí simulaci. Nutností je také zadání potřebných okrajových podmínek řešeného problému. Po vymezení zmíněných parametrů byla importována data, která vznikla při simulaci DEM. Tímto jsou vložena přesná působiště sil na součást a vyvozeny síly, které způsobují napěťové stavy a deformace. Po provedené analýze program znázorní napěťové stavy držáku radlice a deformační účinky, které vznikají při průjezdu radlice skrze zeminu.
Vize budoucnosti
Výše byla nastíněna analýza matematických modelů sypkých hmot s aplikací na možné využití v zemědělství. V budoucnosti bude pravděpodobně možné upustit od výroby a zkoušek několika prototypů a aplikovat metodu simulací a analýz pro efektivnější návrh a snížení finanční náročnosti. Zmíněný způsob návrhu a úprav je vhodný zejména pro delší dopravní linky a složitější zařízení, kde je materiál dopravován, procesně upravován, skladován či do sypkého materiálu vniká nástroj.
Fotogalerie
