Finite element modeling of the bulldozer blade – clay soil interaction
Keywords:
finite element modeling, contact interaction, Drucker-Prager model, bulldozer bladeAbstract
Abstract. 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.
References
Nushtaev D., Ryzhov S., Vysotskiy V. and Zhirkov A. Analiz effektivnosti parallel'nykh vychisleniy v srede SIMULIA Abaqus na vychislitelnoy platforme Aurora G-Station [Parallel computing efficiency analysis in the SIMULIA Abaqus environment on the computing platform Aurora G-Station]. SAPR i grafika [CAD systems and Graphics], 2016, no. 4, pp. 57–61 (in Russian). http://tesis.com.ru/infocenter/downloads/abaqus/abaqus_sapr0416.pdf
Berezin I.M. and Zalazinskiy A.G. Opredelenie usloviy plasticheskogo techeniya nekompaktnykh materialov [Identification of the determinative correlations of plastically compressed materials]. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental researches], 2013, no 8, pp. 19–23 (in Russian). http://www.fundamental-research.ru/pdf/2013/8-1/31862.pdf
Filatov V. A. Vzaimodeystvie gusenichnogo buldozera s gruntom [Interaction of caterpillar bulldozer with the ground]. Internet-vestnik VolgGASU. Seriya: Politematicheskaya [Internet-bulletin of VSUACE. Series Multi-Topic], 2013, no. 1 (25), pp. 1–
(in Russian). http://vestnik.vgasu.ru/attachments/Filatov-2013_1(25).pdf
Armin A. Mechanics of soil-blade interaction. Thesis for the degree of doctoral of philosophy. Saskatoon, 2014. 173 p. https://ecommons.usask.ca/bitstream/handle/10388/ETD-2014-08-1615/ARMIN-DISSERTATION.pdf
Sane A., Wasfy T. M., Wasfy H. M. and Peters J. M. Coupled Multibody Dynamics and Discrete Element Modelling of Bulldozers Cohesive Soil Moving Operation. ASME Proceedings, 2015, vol. 6: 11th International Conference on Multibody Systems, Nonlinear Dynamics, and Control, Paper No. DETC2015-47133. – 15 p. doi: 10.1115/DETC2015-47133 http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=2483858
Bravo E. L., Suarez M. H., Cueto O. G., Tijskens E. and Ramon H. Determination of basics mechanical properties in a tropical clay soil as a function of dry bulk density and moisture. Revista Ciencias Tecnicas Agropecuarias, 2012, vol. 21, no. 3, pp. 5–11. http://scielo.sld.cu/pdf/rcta/v21n3/rcta01312.pdf
Goshtasb A. K., Desbiolles J. and Fielke J. Circular Disc Blade Considerations in Soil Force Prediction Modelling. Journal of Agricultural Science and Technology, 2014, no. 4, pp. 371–383. http://www.davidpublishing.com/davidpublishing/Upfile/8/18/2014/2014081872121385.pdf
Taheri Sh., Sandu C., Taheri S. and Gorsich D. Hybrid soft soil tire model (HSSTM). Part I: tire material and structure modeling. Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2015. 41 p. http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA616952
Ibrahmi A., Bentaher H. and Maalej A. Soil-blade orientation effect on tillage forces determined by 3D finite element models. Spanish Journal of Agricultural Research, 2014, vol. 12, no. 4, pp. 941–951. doi: 10.5424/sjar/2014124-5766. http://revistas.inia.es/index.php/sjar/article/download/5766/2168
Ono I., Nakashima H., Shimizu H., Miyasaka J. and Ohdoi K. Investigation of elemental shape for 3-D DEM modeling of interaction between soil and a narrow cutting tool. Journal of Terramechanics, 2013, vol. 50, no 4, pp. 265–276. doi: 10.1016/j.jterra.2013.09.001 http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/179452/1/j.jterra.2013.09.001.pdf
Li X., Moshell J. M. Modeling soil: realtime dynamic models for soil slippage and manipulation. SIGGRAPH '93: Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. New York, ACM, 1993, pp. 361–368. doi: 10.1145/166117.166162 http://dl.acm.org/citation.cfm?id=166162&dl=ACM&coll=DL&CFID=846541977&CFTOKEN=45999711
Mootaz A. Е., Hamilton R. and Boyle J. T. Simulation of soil–blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis. Soil and Tillage Research, 2004, vol. 75, no. 1, pp. 61–73. doi: 10.1016/S0167-1987(03)00156-9. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198703001569
Wang S., Yan S., Xu Z. and Yang Y. Numerical analysis of dynamic response mechanism of rock by TBM disc cutter. The Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2014, vol. 19, pp. 17017–17024. http://www.ejge.com/2014/Ppr2014.901ma.pdf
Brown O. F. Finite element analysis of blade-formation interactions in excavation. Master Thesis. Rolla, 2014. 104 p. http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6133&context=masters_theses
Shimanovsky A. O., Abdulkader M. H. and Kuzniatsova M. G. Finite element modelling of contact between spherical indenter and Elastic-Plastic body. Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 797, pp. 307–313. doi:
4028/www.scientific.net/AMM.797.307 http://www.scientific.net/AMM.797.307
Zaied M. B., Dahab M. H. and El Naim A. M. Development of a mathematical model for angle of soil failure plane in case of 3-dimensional cutting. Current Research in Agricultural Sciences, 2014, vol. 1, no. 2, pp. 42–52. http://www.pakinsight.com/pdf-files/agr/68/CRAS-2014-1(2)-42-52.pdf
Downloads
Published
Issue
Section
License
Редакція Видання категорично засуджує прояви плагіату в статтях та вживає всіх можливих заходів для його недопущення. Плагіат розглядається як форма порушення авторських прав і наукової етики.
При виявлені у статті більш ніж 25% запозиченого тексту без відповідних посилань та використання лапок, стаття кваліфікується як така, що містить плагіат. У цьому випадку стаття більше не розглядається редакцією, а автор отримує перше попередження.
Автори, в статтях яких повторно виявлено плагіат, не зможуть публікуватися в усіх журналах Видавництва ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури».
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).