Nyíródobozos talajvizsgálat diszkrét elemes modellezése
Ahogy a mindennapi életben, úgy a mérnöki gyakorlatban is sokszor a talajon keresztül kapcsolódnak a környezetükhöz a minket körülvevő, általunk tervezett gépek, szárazföldi járművek, de maga az ember is. Ezért fontos tehát a kapcsolat során létrejövő folyamatok, erőhatások vizsgálata. Gondolhatunk a közlekedésre vagy a mezőgazdaságra, ahol ez nagy szerepet játszik, hiszen itt a gépek ténylegesen a szemcsés talajon, nem pedig a már ember által készített útburkolaton közlekednek, dolgoznak.
A talajok mechanikai jellemzői közül kiemelkedő szerepe van a súrlódásos anyagjellemzőknek. Ennek oka, hogy a mezőgazdasági munkagépek a talaj-gumiabroncs közötti súrlódást kihasználva képesek vonóerő kifejtésére, miközben jelentős függőleges irányú nyomásnak és vízszintes irányú nyírásnak teszik ki a felső talajréteget. A gépek tervezéséhez tehát szükség van a folyamat jellemzésére, a talaj minősítésére. Erre ad lehetőséget a nyíródobozos mérés, amellyel laboratóriumi körülmények között mérhető a talajminta kohéziója és belső súrlódási szöge, mint súrlódásos anyagjellemzők.
Munkánk során diszkrét elemes módszerrel (DEM) modellezett nyíródobozos szimulációkat készítettünk az EDEM nevű szoftverrel. A módszer lényege, hogy olyan szerkezeteket, anyagokat lehessen vizsgálni, melyek diszkrét, különálló elemekből épülnek fel. Így ezzel a numerikus módszerrel nagy elemszámú és kis részecskék mozgatása során fellépő hatásokat lehet elemezni. A fent említett jellemzők ráillenek a talaj szemcsés szerkezetére, révén jól modellezhető ezzel a módszerrel. Szimulációink során a négy gömbből alkotott alakelemet választottuk, mely jól közelíti a szemcsék eltérő alakját, és viselkedését. A közöttük lévő kapcsolatokat a Hertz-Mindlin with bonding kapcsolati modell alapján írtuk le. Az alakelemek között a súrlódásos kapcsolat mellett tehát úgynevezett Bond kötések is jelen voltak, melyek külön szilárdsági jellemzőkkel rendelkeznek. Ezeknek a Bond kapcsolatoknak a segítségével modellezhető a talajszemcsék között kialakuló kohézió, amely miatt a talajok bizonyos mértékig húzásra is terhelhetők. Számításaink során, különböző konfigurációk esetén vizsgáltuk ezen kötések felszakadásának a számát, és a felszakításukhoz szükséges normál, illetve nyíróerőt.
A szimulációk során kétféle – egy kohéziómentes homoktalajnak és egy kohézív vályogtalajnak megfelelő – talajmodellt vizsgáltunk. Mindkét modell felépítése azonos elemekből áll, különbség a kapcsolati paraméterek értékeiben volt. Ezen paraméterek érzékenység vizsgálatát végeztük el annak érdekében, hogy megtaláljuk, hogy melyik milyen hatással van a modell nyírás alatti viselkedésére, illetve a nyíróerő-elmozdulás függvényre, mint szimulációs eredményre. A modellek egy-egy korábbi valós mérés eredményét szeretné megközelíteni, ezért a paraméterek megfelelő beállításával elérhető lesz a valóságot jól közelítő modell.
Kutatásunk célja volt a mérnöki gyakorlatban is számos alkalommal előforduló talajjal történő érintkezés pontosabb megismerése, valamint egy szimulációs modell továbbfejlesztése, mely a későbbiekben ennél bonyolultabb modelleknél is alkalmazható lesz, mivel hűen tükrözi a talaj nyíróigénybevétel esetén bekövetkező viselkedését.
szerzők
-
Szalai Marcell
Gépészmérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc) -
Németh Olivér
Gépészmérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Kotrocz Krisztián
adjunktus, Gép- és Terméktervezés Tanszék