Rolnictwo staje się coraz bardziej zaawansowane technologicznie, a konstrukcje i praca maszyn rolniczych są optymalizowane z użyciem nowych narzędzi i technologii. Należy do nich m.in. nieustannie zyskujące na popularności oprogramowanie Altair EDEM. To zaawansowane narzędzie symulacyjne, które umożliwia przewidywanie interakcji między maszynami rolniczymi a materiałami sypkimi lub ziarnistymi, takimi jak gleba, zboża, czy istotne w kontekście tego artykułu – trawa i siano. Dzięki EDEM rolnicy i producenci sprzętu mogą znacznie zwiększyć wydajność, trwałość oraz efektywność swoich maszyn.

W artykule skoncentrujemy się na zastosowaniu oprogramowania Altair EDEM w kooperacji z Altair MotionSolve w procesie optymalizacji zgrabiarki traktorowej – urządzenia stanowiącego kluczowy element wyposażenia gospodarstw rolnych. Zgrabiarki traktorowe są niezbędne w procesie zbioru siana, a ich efektywność ma bezpośredni wpływ na jakość zebranego materiału oraz na ogólną wydajność pracy.

Zgrabiarka traktorowa – kluczowy element gospodarstwa

Zgrabiarka traktorowa to maszyna rolnicza, której zadaniem jest zgrabianie w równomierne wały skoszonego materiału roślinnego, takiego jak trawa czy siano. Wały te są następnie przygotowywane do zbioru, np. przez prasowanie w bele. Ważnym aspektem pracy zgrabiarki jest to, aby jej działanie było jak najbardziej efektywne. Od jakości działania tej maszyny zależy, jak dużo materiału zostanie zebrane w krótkim czasie, jak małe będą straty materiału i jak dobrze uformowane będą wały.

Tradycyjne podejście do projektowania zgrabiarek opierało się głównie na testach polowych, Było to kosztowne, czasochłonne, a co więcej – nie zawsze dawało pełną informację o zachowaniu maszyny w zróżnicowanych warunkach pracy. Dzięki zastosowaniu symulacji komputerowych, takich jak te oferowane przez Altair EDEM, możliwe jest znaczne skrócenie procesu projektowego i zwiększenie jakości jego rezulatatów.

Symulacje wielofizyczne

Altair EDEM współpracuje z innymi programami Altair, tworząc zintegrowane środowisko symulacyjne. W połączeniu z Altair MotionSolve, EDEM pozwala na realistyczne modelowanie interakcji między materiałami sypkimi a ruchomymi mechanizmami, co umożliwia symulację dynamiki systemów mechanicznych z uwzględnieniem wpływu, jaki wywierają na nie obsługiwane materiały. W połączeniu z Altair AcuSolve, EDEM integruje modelowanie przepływów cieczy lub gazów z cząstkami, co jest kluczowe dla analiz związanych z przepływem płynów przez materiały sypkie. Z kolei współpraca z Altair OptiStruct umożliwia optymalizację strukturalną maszyn i urządzeń, w których interakcje z materiałami sypkimi wpływają na ich wytrzymałość i trwałość. Program umożliwia w efekcie tworzenie lepszych konstrukcji.

Altair EDEM – Symulacja granularna

Altair EDEM to narzędzie umożliwiające symulację zachowania materiałów sypkich i ziarnistych w interakcji z różnymi maszynami. W przypadku rolnictwa, EDEM jest wykorzystywany przede wszystkim do modelowania interakcji między maszynami rolniczymi a materiałami roślinnymi, takimi jak trawa, zboże czy siano.

Altair MotionSolve – Symulacja dynamiczna

Altair MotionSolve to zaawansowane oprogramowanie do symulacji dynamicznych, służące do analizowania i optymalizacji ruchu mechanizmów wieloczłonowych. Program umożliwia symulację złożonych układów mechanicznych, takich jak zawieszenia pojazdów, mechanizmy sterujące czy systemy przeniesienia napędu. MotionSolve pozwala inżynierom na przeprowadzanie analiz kinematycznych, dynamicznych oraz strukturalnych, a także na optymalizację parametrów projektowych, co prowadzi do bardziej wydajnych, wytrzymałych i niezawodnych produktów. Oprogramowanie jest często wykorzystywane w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo czy produkcja maszyn przemysłowych.

Podstawy działania Altair EDEM

Podstawą działania Altair EDEM jest metoda elementów dyskretnych (DEM – Discrete Element Method), która umożliwia modelowanie w ramach symulacji zachowania milionów cząstek. Każda cząstka w symulacji jest traktowana jako odrębny element, co pozwala na realistyczne odwzorowanie ich ruchu, zderzeń oraz interakcji z innymi cząstkami i powierzchniami. W kontekście zgrabiarki traktorowej, cząstki te mogą reprezentować poszczególne źdźbła trawy lub fragmenty siana, co pozwala na precyzyjne modelowanie procesu zgrabiania.

Podstawy działania Altair MotionSolve

Działanie Altair MotionSolve opiera się na modelowaniu dynamicznym układów mechanicznych, wykorzystującym metodę elementów skończonych (FEM) i zasady mechaniki klasycznej. Program tworzy cyfrowe modele mechanizmów wieloczłonowych, uwzględniając masę, siły, tarcie, sprężystość, a także inne właściwości fizyczne komponentów. Symulacje w MotionSolve polegają na analizie ruchu tych elementów w czasie, co pozwala na badanie ich zachowania w różnych scenariuszach obciążeń i warunkach pracy. Dzięki temu użytkownicy mogą przewidywać reakcje systemu, optymalizować jego konstrukcję i poprawiać wydajność oraz niezawodność projektowanych maszyn i mechanizmów.

Korzyści z wykorzystania symulacji

Wykorzystanie Altair EDEM oraz Altair MotionSolve w projektowaniu i optymalizacji konstrukcji i pracy zgrabiarki traktorowej przynosi wiele korzyści:

  1. przewidywanie zachowania materiałów: Pozwala na przewidywanie, jak trawa i siano będą zachowywać się podczas zgrabiania, jakie siły będą działać na maszyny i jak efektywnie będą one formować wały.
  2. optymalizacja konstrukcji: Dzięki symulacjom możliwe jest testowanie różnych konstrukcji zgrabiarki bez konieczności budowania kosztownych prototypów. Różne kształty i ustawienia elementów roboczych mogą być testowane w celu znalezienia optymalnej konfiguracji.
  3. redukcja zużycia energii: Symulacje pozwalają na optymalizację pracy zgrabiarki pod kątem zużycia energii. Można na przykład sprawdzić, jakie ustawienia maszyny wymagają najmniejszej mocy do efektywnego zgrabiania, co przekłada się na oszczędności paliwa.
  4. zwiększenie trwałości sprzętu: Dzięki przewidywaniu interakcji między maszyną a materiałem, możliwe jest zidentyfikowanie obszarów, które są narażone na największe obciążenia i zużycie. To z kolei pozwala na modyfikacje konstrukcyjne zwiększające trwałość maszyny.

Przebieg symulacji zgrabiarki w Altair EDEM w z Altair MotionSolve

Symulacja działania zgrabiarki traktorowej w Altair EDEM zaczyna się od stworzenia cyfrowego modelu zgrabiarki oraz modelu materiału, który ma być zgrabiany. W tym przypadku model trawy lub siana jest złożony z wielu cząstek, które są zaprojektowane tak, aby jak najdokładniej odwzorować rzeczywiste właściwości fizyczne tych materiałów. Altair MotionSolve odpowiada tu za wierne odwzorowanie ruchu maszyny, a także interakcji poszczególnych jej części między sobą. Pozwala to na bardzo rzeczywiste uchwycenie fizyki tego zagadnienia.

Modelowanie materiału

Modelowanie trawy i siana w EDEM obejmuje określenie takich parametrów jak:

  • właściwości mechaniczne: Wytrzymałość na ściskanie, elastyczność, tarcie wewnętrzne.
  • geometria cząstek: Kształt, rozmiar i orientacja cząstek reprezentujących źdźbła trawy lub fragmenty siana.
  • interakcje między cząstkami: Siły działające między cząstkami, takie jak siły zderzeń, tarcie, adhezja.

Modelowanie cząstek jest kluczowe, ponieważ dokładność symulacji zależy od tego, jak dobrze cząstki odzwierciedlają rzeczywiste właściwości materiału.

Modelowanie zgrabiarki

Modelowanie zgrabiarki obejmuje stworzenie cyfrowej reprezentacji wszystkich elementów roboczych maszyny, takich jak:

  • ramiona robocze: Elementy odpowiedzialne za zbieranie trawy lub siana i formowanie wałów.
  • elementy napędowe: Mechanizmy odpowiedzialne za ruch ramion i innych elementów roboczych.
  • konstrukcja nośna: Cała struktura, na której są zamocowane elementy robocze.

Modele te mogą być importowane do EDEM z innych programów CAD (Computer-Aided Design) lub tworzone bezpośrednio w EDEM (modele cząsteczek).

Przebieg symulacji

Po przygotowaniu modeli trawy, siana i zgrabiarki, symulacja może zostać uruchomiona. Symulacja obejmuje:

  • inicjalizację: Ustawienie początkowego stanu materiału na polu, np. równomiernie rozłożonej trawy.
  • interakcje: Uruchomienie zgrabiarki i obserwacja: jak jej elementy wchodzą w interakcję z materiałem, jak materiał reaguje na ruch zgrabiarki oraz jakie siły są generowane.
  • analizę wyników: Zbieranie danych na temat ruchu cząstek, sił działających na zgrabiarkę, jakości formowanych wałów itp.

Optymalizacja

Na podstawie wyników symulacji można przeprowadzić optymalizację konstrukcji zgrabiarki. Można na przykład:

  • zmienić kształt lub ustawienie ramion roboczych, aby poprawić efektywność zgrabiania.
  • dostosować prędkość obrotową ramion, aby zmniejszyć zużycie energii.
  • wprowadzić zmiany w konstrukcji nośnej, aby zwiększyć trwałość maszyny.

Przykład praktyczny: Optymalizacja zgrabiarki traktorowej

Aby lepiej zobrazować zastosowanie Altair EDEM, rozważmy hipotetyczny przykład optymalizacji zgrabiarki traktorowej.

Problemy do rozwiązania

Załóżmy, że w trakcie testów polowych zgrabiarki zauważono kilka problemów:

  1. nierównomierne wały: Wały siana są nierówne, co utrudnia dalszy proces zbioru.
  2. duże straty materiału: Część siana pozostaje niezgrabiona, co prowadzi do strat materiału.
  3. wysokie zużycie energii: Zgrabiarka wymaga dużej mocy do pracy, co zwiększa koszty operacyjne.

Przeprowadzenie symulacji

Aby rozwiązać te problemy, inżynierowie tworzą szczegółowy model zgrabiarki w Altair EDEM, a następnie symulują proces zgrabiania w różnych warunkach.

  1. Analiza wałów: Symulacje pozwalają zidentyfikować, które elementy ramion roboczych są odpowiedzialne za formowanie nierównych wałów. Na tej podstawie można zmodyfikować ich kształt lub ustawienie.
  2. Redukcja strat: Przeanalizowanie ścieżek ruchu cząstek trawy i siana w symulacji może wskazać, gdzie zgrabiarka „gubi” materiał. Możliwe jest dostosowanie prędkości obrotowej ramion, aby zredukować te straty.
  3. Optymalizacja energetyczna: Symulacje pozwalają również na identyfikację momentów, gdy zgrabiarka wymaga największej mocy. Można eksperymentować z różnymi ustawieniami, aby zminimalizować zużycie energii, nie tracąc przy tym na efektywności.

Wyniki optymalizacji

Po serii symulacji i wprowadzeniu zmian do modelu zgrabiarki, uzyskano następujące rezultaty:

  • równomierne wały: Wały siana są teraz równomierne, co ułatwia dalszy proces zbioru.
  • zmniejszenie strat: Straty materiału zostały zredukowane o 15%, co przekłada się na większą wydajność.
  • oszczędność energii: Zoptymalizowana zgrabiarka zużywa o 10% mniej energii, co obniża koszty eksploatacji.

Podsumowanie

Oprogramowanie Altair EDEM to potężne narzędzie optymalizacji konstrukcji i funkcjonowania maszyn rolniczych, takich jak zgrabiarki traktorowe. Dzięki możliwościom symulowania interakcji między maszynami a materiałami roślinnymi, inżynierowie mogą przewidzieć zachowanie maszyn w różnych warunkach, zoptymalizować ich konstrukcję oraz zredukować koszty operacyjne. Wykorzystanie EDEM pozwala na znaczne skrócenie czasu projektowania, poprawę jakości pracy maszyn i zwiększenie ich trwałości. W efekcie, rolnicy mogą liczyć na bardziej efektywny sprzęt, który lepiej spełnia ich potrzeby, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji i eksploatacji.

Dodatkowo dzięki współpracy Altair EDEM z innymi programami, np. Altair MotionSolve, można rozwiązywać wielofizyczne zagadnienia w jednej symulacji i jeszcze lepiej zrozumieć badane zagadnienia bez potrzeby budowania kosztownych prototypów.

Dzięki Altair EDEM przyszłość rolnictwa staje się bardziej zaawansowana technologicznie i efektywna, co ma kluczowe znaczenie w obliczu rosnących wyzwań związanych z produkcją żywności na globalną skalę.