agroengineeringАгроинженерияAgricultural Engineering (Moscow)2687-11492687-1130РГАУ-МСХА10.26897/2687-1149-2024-3-11-18agroengineering-825Research ArticleТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПКFARM MACHINERY AND TECHNOLOGIESРазработка перфорированного элемента рабочего органа глубокорыхлителя: топологическая оптимизацияDesigning the perforated element of a subsoiler plate: topological optimizationhttps://orcid.org/0000-0002-3649-9945УшаковA. E.UshakovA. E.

Александр Евгеньевич Ушаков, канд. техн. наук, доцент

346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, Пушкинская ул., 111

Aleksandr E. Ushakov, PhD (Eng), Associate Professor

346428, Russian Federation, Rostov region, Novocherkassk, Pushkinskaya Str., 111

sashka-ushakov@mail.ruНовочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова – филиал Донского государственного аграрного университетаРоссияNovocherkassk Engineering and Reclamation Institute named after A.K. Kortunov – Branch of Don State Agrarian UniversityRussian Federation2024120620242631118Copyright © Ушаков A.E., 20242024Ушаков A.E.Ushakov A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://agroengineering.timacad.ru/jour/article/view/825

Разработка или модернизация почвообрабатывающей техники обусловлены стремлением увеличить срок ее службы, повысить ее эффективность и уменьшить негативное воздействие на почву. С целью повышения эффективности сельскохозяйственных конструкций проведена оптимизация рабочего органа глубокорыхлителя с применением топологического и параметрического моделирования. В качестве базовой модели выступала пластина глубокорыхлителя массой 1,925 кг с максимальными напряжениями 176,8 МПа. У пластины определили зоны, оказывающие наименьшее влияние на жесткость и прочность конструкции. При проектировании модернизированной пластины учитывались следующие параметры: коэффициент запаса по пределу прочности – 1,5…2; максимальное снижение массы – не более 50%, минимальное снижение – не менее 10%; пластина изготавливается методом лазерной резки из стали марки 09Г2С или 30ХГСА. Считали, что технологический процесс изготовления, прочностные и износостойкие характеристики и стоимость были не ниже базового варианта. Алгоритм, разработанный на языке системного моделирования SysML, позволил систематизировать процесс, установить функциональные и нефункциональные требования и ограничения. С использованием системы автоматического проектирования Autodesk Fusion 360 по данному алгоритму разработана рациональная геометрическая форма почвообрабатывающей пластины глубокорыхлителя массой 1,585 кг и максимальными напряжениями 169,5 МПа. Топологическая оптимизация уже на второй итерации привела к снижению массы детали на 17,67% при сохранении прочностных и износостойких характеристик. Путем определения толщины элемента установлено соответствие требованию по коэффициенту запаса прочности. Из стали 09Г2С изготовлены образцы пластин глубокорыхлителя толщиной 16 мм. Для подтверждения рассчитанных прочностных характеристик необходимо провести лабораторные и полевые испытания прототипа облегченной конструкции.

The development or modernization of tillage machinery aims to increase its service life and efficiency and reduce the negative impact on the soil. In order to increase the efficiency of agricultural machines, the author attempted to optimize the working element of a subsoler – its plate – through topological and parametric modeling. The subsoiler plate with the mass of 1.925 kg with maximum stresses 176.8 MPa was used as a base model. The author determined the plate zones having the least influence on the stiffness and strength of the implement structure. When designing the modernized plate, the following parameters were taken into account: safety factor on the ultimate strength – 1.5 to 2; maximum mass reduction – less than 50%, minimum reduction – more than 10%. The plate is manufactured by laser cutting from 09G2S or 30XGSA steel. The manufacturing process, strength and wear characteristics, and cost were considered to be not lower than the base variant. The algorithm developed in the SysML system modeling language helped systematize the process and establish functional and non-functional requirements and limitations. Using Autodesk Fusion 360 automatic design system, the author developed the rational geometric shape of the soil cultivation plate of the subsoiler with a mass of 1.585 kg and a maximum stresses of 169.5 MPa according to this algorithm. Topological optimization resulted in a 17.67% reduction in the part’s weight at the second iteration while maintaining strength and wear resistance characteristics. By determining the thickness of the element, the author established compliance with the safety factor requirement. Samples of subsoiler plates with thickness of 16 mm were made of 09G2S steel. To confirm the calculated strength characteristics it is necessary to carry out laboratory and field tests of the prototype of the lightweight design.

топологическая оптимизацияпараметрическое моделированиепочвообрабатывающая пластинарабочий орган глубокорыхлителяпрочность конструкцииязык системного моделированияSysMLAutodesk Fusion 360topological optimizationparametric modelingtillage plateworking tool of a subsoilerstrength of the structuresystem modeling languageSysMLAutodesk Fusion 360Исследование проводилось при поддержке и финансировании Фонда содействия инноваций в рамках договора «Старт-1». Договор 4290ГС1/70521 от 15.11.2021 г. Вн. код 0070521, заявка (С1-106429)The research was supported and funded by the Innovation Promotion Fund under the Start-1 contract. Contract 4290GS1/70521 dated 15.11.2021, code 0070521, application (C1-106429)ReferencesБашин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. № 51. С. 51 61. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.51.05Bashin K.A., Torsunov R.A., Semenov S.V. Topology optimization methods in aerospace industry. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin.2017;51:51-56. (In Russ.) https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.51.05Павлов С.П., Бодягина К.С. Топологическая оптимизация конструкций, состоящих из нескольких материалов с использованием модифицированного метода SIMP // Математика и математическое моделирование. 2019. № 6. С. 19 34. https://doi.org/10.24108/mathm.0619.0000211Pavlov S.P., Bodyagina K.S. Modified SIMP method-based topological optimization of structures consisting of several materials. Mathematics and Mathematical Modeling. 2020;19-34. (In Russ.) https://doi.org/10.24108/mathm.0619.0000211Супотницкий Е.С., Курносов В.Е., Андреева Т.В. Топологическая оптимизация конструкций в области проектирования // Научное обозрение. Педагогические науки. 2019. № 3 2. С. 91 95. EDN: KXITBOSupotnitsky E.S., Kurmosov V.E., Andreyeva Т.V. Topological optimization of designs in the field of designing. Nauchnoe Obozrenie. Pedagogicheskie Nauki = Scientific Review. Pedagogical science. 2019;3 2:91 95. (In Russ.)Салахов И.М. Агротехнические аспекты применения рабочего органа для безотвальной обработки почвы // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2017. Т. 12, № 3 (45). С. 82-85. https://doi.org/10.12737/article_5a1d9aa31ec6e6.52700948Salakhov I. Agrotechnical aspects of the working unit application for underground soil treatment. Vestnik of Kazan State Agrarian University. 2017;3:82 85. (In Russ.) https://doi.org/10.12737/article_5a1d9aa31ec6e6.52700948Камбулов С.И., Рыков В.Б., Трубилин Е.И., Колесник В.В. Технологические аспекты разуплотнения почвы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2019. № 153. С. 193 201. https://doi.org/10.21515/1990-4665-153-021Kambulov S.I., Rykov V.B., Trubilin E.I., Kolesnik V.V. Technological aspects of soil deployment. Polythematic Online Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2019;153:193 201. (In Russ.) https://doi.org/10.21515/1990-4665-153-021Ушаков А.Е. Разработка и испытание почвообрабатывающего орудия для проведения мелиоративного глубокого рыхления склоновых земель // Вестник НГИЭИ. 2022. № 2 (129). С. 31-40. EDN: KDHUNY https://doi.org/10.24412/2227-9407-2022-2-31-40UshakovA.E. Development and testing of tillage tools for reclamation deep loosening of sloping lands. Vestnik NGIEI. 2022;2:31-40. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2227-9407-2022-2-31-40Пащенко В.Ф., Сыромятников Ю.Н., Храмов Н.С. Физическая сущность процесса взаимодействия с почвой рабочего органа с гибким элементом // Сельское хозяйство. 2017. № 3. С. 33 42. EDN: YULCEZPashchenko V.F., SyromyatnikovYu.N., Khramov N.S. Physical proccesses of soil interaction with a working tool with a flexible element. Agriculture. 2017;3:33 42. (In Russ.)Прокопов В.С., Вдовин Д.С., Хрыков С.С. Преимущества использования метода топологической оптимизации на этапе проектирования промышленного продукта // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта: Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции. М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2017. С. 26 29. EDN: YWDHVJProkopov V.S., Vdovin D.S., Khrykov S.S. Advantages of using the topological optimization method at the design stage of an industrial product. Systems of Designing, Technological Preparation of Production and Management of the Life Cycle Stages of an Industrial Product: Proceedings of the XVII International Scientific and Practical Conference. Moscow, RAS Institute of Management Problems named after V.A. Trapeznikov, 2017:26 29. (In Russ.)Xie L., Li H., Zhang Y., Liu X., Zhao Y. Topology optimization and numerical analysis of cold plates for concentrating photovoltaic thermal management. Case Studiesin Thermal Engineering. 2023;52:103713. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103713Xie L., Li H., Zhang Y., Liu X., Zhao Y. Topology optimization and numerical analysis of cold plates for concentrating photovoltaic thermal management. Case Studies in Thermal Engineering. 2023;52:103713. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103713Rad M.M., Habashneh M., Lógó J. Reliability based bi-directional evolutionary topology optimization of geometric and material nonlinear analysis with imperfections. Computers & Structures. 2023;287:107120. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2023.107120Rad M.M., Habashneh M., Lógó J. Reliability based bi-directional evolutionary topology optimization of geometric and material nonlinear analysis with imperfections. Computers & Structures. 2023;287:107120. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2023.107120

The authors declare that there are no conflicts of interest present.