Bulletin of Forestry Science / Volume 5 / Issue 1 / Pages 7-19
| next article

Combined FEM-SPH simulation method for the modeling of the interaction of tillage tools and the soil

Tamás Major & Viktória Csanády

Correspondence

Correspondence: Major Tamás

Postal address: H-9400 Sopron, Ady Endre u. 5.

e-mail: major[at]emk.nyme.hu

Abstract

Earlier cultivation and tillage tools were designed on the basis of practical experience; testing and records of fundamental theoretical analysis of these tools is largely lacking. Today, the release of new equipment is always preceded by several years of laboratory tests and field experiments. By modelling the interaction between the soil and tillage tools, the time and costs of the development process can be significantly decreased. Thanks to the recent rapid advancement of high performance computers and numerical methods, it is possible to complete these model calculations more effectively now. With the help of a combined FEM/SPH simulation – in this case utilizing two different driving speeds of a tractor – we determined the magnitude of horizontal force acting upon the rotating tool as a function of time. Using the functions fitted to the simulation results, the authors have calculated the average and the maximum values of the horizontal force. Moreover, normal stress distribution in the soil has also been determined.

Keywords: machine improvement, soil cultivation, rotating tool, combined FEM/SPH simulation

References31

  • Bánházi J. (szerk.) 1984: A szántóföldi munkagépek működésének elméleti alapjai. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest.
  • Bánházi J.; Koltay J.; Szendrő P. és Véner I. 1978: Szántóföldi munkagépek. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest.
  • Bojtár I. 1988: Mechanikai anyagmodellek. Tankönyvkiadó, Budapest.
  • Bui, H. H.; Fukagawa, R.; Sako, K. and Wells, J. C. 2008: SPH-Based Numerical Simulations for Large Deformation of Geomaterial Considering Soil-Structure Interaction. The 12th International Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IACMAG), 1: 570-578.
  • Égert J. és Pere B. 2011: Végeselem analízis. MSC jegyzet és példatár. UNIVERSITAS-GYŐR Nonprofit Kft, Győr.
  • Fodor T.; Orbán F. és Sajtos I. 2005: Mechanika. Végeselem-módszer. Elmélet és alkalmazás. Szaktudás Kiadó Ház, Budapest.
  • Gingold, R. A. and Monaghan, J. J. 1977: Smoothed Particle Hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 181: 375-389. DOI: 10.1093/mnras/181.3.375
  • Günter, M. und Clemens, G. 2002: FEM für Praktiker. Band 1: Grundlagen. Expert Verlag, Renningen.
  • Kerényi Gy. 1996a: A talaj vágásának modellezése végeselem módszerrel. Doktori értekezés, Budapest.
  • Kerényi Gy. 1996b: A talaj és egyszerű szerszám kapcsolatnak modellezése végeselem módszerrel. Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 12: 431-435.
  • Klein, B. 1999: FEM Grundlagen und Anwendungen der Finite-Element-Methode im Maschinen- und Fahrzeugbau. Vieweg, 3., überarbeitet Auflage. Braunschweig/Wiesbaden.
  • Kovács Á. (szerk.) 2011: Végeselem módszer. Egyetemi tananyag. Typotex Kiadó, Budapest.
  • Kurutzné Kovács M. és Scharle P. 1985: A végeselem-módszer egyszerű elemei és elemcsaládjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest.
  • Meiβner, U. F. und Maurial, A. 2000: Die Methode der finiten Elemente. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York.
  • Monaghan, J. J. 1988: An introduction to SPH. Computer Physics Communications. 48: 89-96. DOI: 10.1016/0010-4655(88)90026-4
  • Monaghan, J. J. 1992: Smoothed Particle Hydrodynamics. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 30: 543-574. DOI: 10.1146/annurev.aa.30.090192.002551
  • Mouazen, A. M. 1997: Modelling the interaction between the soil and tillage tools. Candidate of Science (Doctor of Philosophy, Ph.D.) Mosonmagyaróvár.
  • Mouazen, A. M. and Neményi, M. 1995: Modeling the interaction between the soil and simple tillage tool. Hungarian Agricultural Engineering 8: 67-70.
  • Mouazen, A. M. and Neményi, M. 1996: Two-Dimensional Finite Element Analysis of Soil Cutting by Medium Subsoiler. Hungarian Agricultural Engineering 9: 32-36.
  • Mouazen, A. M. and Neményi, M. 1999a: Finite element analysis of subsoiler cutting in non-homogeneous sandy loam soil. Soil & Tillage Research, 51: 1-15. DOI: 10.1016/S0167-1987(99)00015-X
  • Mouazen, A. M. and Neményi, M. 1999b: Tillage tool design by the finite element method: Part 1. Finite element modelling of soil plastic behaviour. Journal of Agricultural Engineering Research, 72: 37-51. DOI: 10.1006/jaer.1998.0343
  • Mouazen, A. M.; Neményi, M.; Schwanghart, H. and Rempfert, M. 1999: Tillage tool design by the finite element method: Part 2. Experimental validation of the finite element results with soil bin test. Journal of Agricultural Engineering Research. 72: 53-58. DOI: 10.1006/jaer.1998.0344
  • Mouazen, A. M.; Neményi, M. and Horváth, B. 1998: Investigation of Forestry deep subsoiling by the finite element method. Hungarian Agricultural Engineering. 11: 47-49.
  • Páczelt I. 1993: A végeselem-módszer alapjai. Miskolci Egyetemi Könyvkiadó, Miskolc.
  • Páczelt I. 1999: Végeselem-módszer a mérnöki gyakorlatban, I. kötet, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc.
  • Páczelt I.; Szabó T. és Baksa A. 2007: A végeselem-módszer alapjai. Egyetemi jegyzet, Miskolc.
  • Popper Gy. 1985: A végeselem-módszer matematikai alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest.
  • Rázsó I. (szerk.) 1958: Mezőgazdasági gépek elmélete. Tankönyvkiadó, Budapest.
  • Sitkei Gy. 1986: Mezőgazdasági és erdészeti járművek modellezése. Akadémiai Kiadó. Budapest.
  • Sitkei Gy. 1991: Compaction of agricultural soils with viscoelastic behavior under conifined and conditions. Proc. of 5th European Conf. of the ISTV, Budapest. 257-264.
  • Yong, R. N. and Hanna, A. W. 1977: Finite element analysis of plane soil cutting. Journal of Terramechanics, 14(3): 103-125. DOI: 10.1016/0022-4898(77)90010-6

    • Open Acces

    For non-commercial purposes, let others distribute and copy the article, and include in a collective work, as long as they cite the author(s) and the journal, and provided they do not alter or modify the article.

    Cite this article as:

    Major, T. & Csanády, V. (2015): Combined FEM-SPH simulation method for the modeling of the interaction of tillage tools and the soil. Bulletin of Forestry Science, 5(1): 7-19. (in Hungarian) DOI: 10.17164/EK.2015.001

    Volume 5, Issue 1
    Pages: 7-19

    DOI: 10.17164/EK.2015.001

    First published:
    10 October 2015

    Related content

    1

    More articles
    by this authors

    2

    Related content in the Bulletin of Forestry Science*

    More articles by this authors in the Bulletin of Forestry Science

    * Automatically generated recommendations based on the occurrence of keywords given by authors in the titles and abstracts of other articles. For more detailed search please use the manual search.