Разработка перфорированного элемента рабочего органа глубокорыхлителя: топологическая оптимизация

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.

1. Башин 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/10.15593/2224-9982/2017.51.05

2. Павлов 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.0619.0000211

3. Супотницкий 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: KXITBO

4. 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_5a1d9aa31ec6e6.52700948

5. Камбулов 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/10.21515/1990-4665-153-021

6. Ушаков 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/10.24412/2227-9407-2022-2-31-40

7. Пащенко 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: YULCEZ

8. 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: YWDHVJ

9. 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.2023.103713

10. Rad 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