Strength analysis and optimisation of trailer agricultural machinery structures using finite element methods

Abstract

The aim of the study was to examine the potential of numerical modelling for improving agricultural machinery by analysing its characteristics and technological features. A theoretical analysis was carried out using theoretical modelling, which allowed for the evaluation of stress-strain states of the machinery under different loads. It was found that numerical modelling reduced the weight of machinery by removing excess material in low-stress zones and also decreased emissions through improved geometry of working components, which contributed to energy savings and increased operational efficiency. It was revealed that modern technologies underestimated the potential of composite materials and nanotechnologies, which limited the achievement of higher strength, lightness, and durability indicators, while simplified models ignored variable climate factors, soil diversity, humidity, and temperature fluctuations, which affected wear and corrosion of the machinery. The study showed that agricultural machinery was subjected to dynamic, cyclic, vibrational, and impact loads, which caused fatigue failure of materials and local stresses, particularly in the areas of fastenings of working elements and hinged joints, which reduced service life and required improved materials. The results contributed to economic benefits for the agricultural sector through reduced fuel and maintenance costs, environmental sustainability through reduced emissions, and improved working conditions for operators by reducing vibrational loads. The results of the study could be used in the design and improvement of the structures of towed agricultural machinery, taking into account specific operating conditions, particularly for preliminary modelling and optimisation of the working elements of machines in agricultural regions with increased frame loads.

-

Мета дослідження полягала у вивченні потенціалу чисельного моделювання для вдосконалення аграрної техніки шляхом аналізу її характеристик і технологічних особливостей. Було виконано теоретичний аналіз із використанням теоретичного моделювання, що дозволило оцінити напружено-деформовані стани техніки під різними навантаженнями. Встановлено, що чисельне моделювання забезпечує зниження маси техніки шляхом видалення надлишкового матеріалу в зонах із низькими напруженнями, а також зменшення викидів завдяки вдосконаленню геометрії робочих органів, що сприяло економії енергії й підвищенню експлуатаційної ефективності. Виявлено, що сучасні технології недооцінюють потенціал композитних матеріалів і нанотехнологій, що обмежувало досягнення вищих показників міцності, легкості й довговічності, а спрощені моделі ігнорували змінні кліматичні фактори, різноманітність ґрунтів, вологість, температурні коливання, які впливали на знос і корозію техніки. Дослідження показало, що аграрна техніка зазнавала динамічних, циклічних, вібраційних і ударних впливів, які спричиняли втомне руйнування матеріалів і локальні напруження, особливо в зонах кріплення робочих елементів і шарнірних з’єднань, що знижувало термін служби і потребує вдосконалених матеріалів. Результати сприяли економічній вигоді аграрного сектору через зниження витрат на пальне й обслуговування, екологічній стійкості шляхом зменшення викидів, а також покращенню умов праці операторів завдяки зниженню вібраційних навантажень. Результати дослідження можуть бути використані при проєктуванні та удосконаленні конструкцій причіпної сільськогосподарської техніки з урахуванням специфічних умов експлуатації, зокрема для попереднього моделювання й оптимізації робочих органів машин в аграрних регіонах із підвищеним навантаженням на раму.