DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2023.7(38).2.59-67
Numerical Modeling of Elastic Hysteresis of Loose Material
About the Authors
Vitalii Ivliev, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, e-mail: ivliev.v.v@dsau.dp.ua, ORCID ID: 0000-0002-4878-4794
Abstract
The elastic hysteresis of bulk material is an important problem in many fields of science and technology, including mining and metallurgy, construction, energy, and engineering. This is due to the fact that loose materials consist of a large number of particles that can shift relative to each other under the influence of external loads. This process is accompanied by energy losses and changes in the shape of the material structure, which in turn leads to elastic hysteresis.
Knowledge of material behavior under various loading conditions is essential for developing safe and effective engineering solutions.
The purpose of the research is to determine the parameters of the deformation of loose material (for example, granular material) depending on its physical and mechanical properties in the Simcenter STAR-CCM+ software package.
The elastic hysteresis loop reflects the behavior of the material under cyclic loading, when strain and stress changes occur. Loop area is a measure of material energy losses that occur during cyclic loading.
As a result of numerical modeling of the process of deformation of loose material (on the example of granular material), the regression equations of the second order of the dependences of the area of the elastic hysteresis loop and the maximum force value at 25% relative deformation of the granular material from its physical and mechanical properties (density, Poisson's ratio and Young's modulus) were obtained. The presented results can be used in further modeling or in the creation of physico-mathematical models of the process of compression of grain material in granulators, extruders and expanders.
Keywords
bulk material, grain, compression, force, deformation, elastic hysteresis, modeling, simulation
Full Text:
PDF
References
1. Didukh, L.D. (2016). Mekhanika: pidruchnyk [Mechanics: a textbook]. Ternopilʹ: Pidruchnyky i posibnyky [in Ukrainian].
2. Faraji, G., Kim, H.S. & Kashi, H.T. (2018). Chapter 2 – Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples. Severe Plastic Deformation. Methods. Processing and Properties. P. 37-112. Doi: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3 [in English].
3. Perez-Gonzalez, E.L., Bilodeau, J.-P. & Dor,e G. (2021). Analysis model for permanent deformation in granular materials under the action of superheavy vehicles. Transportation Geotechnics, Vol. 28, 100536. Doi: 10.1016/j.trgeo.2021.100536 [in English].
4. Tsarenko, O.M., Voytyuk, D.H., Shvayko, V.M. et al. (2003). Mekhaniko-tekhnolohichni vlastyvosti silʹsʹkohospodarsʹkykh materialiv [Mechanical and technological properties of agricultural materials]. S.S. Yatsuna (Eds). Kyiv: Meta [in Ukrainian].
5. Ivlyev, V.V. (2018). Doslidzhennya yavyshcha pruzhnoho histerezysu pid chas udarno-mekhanichnoyi vzayemodiyi hruboyi ovechoyi vovny [Study of the phenomenon of elastic hysteresis during shock-mechanical interaction of coarse sheep's wool]. Tekhniko-tekhnolohichni aspekty rozvytku ta vyprobuvannya novoyi tekhniky i tekhnolohiy dlya silʹsʹkoho hospodarstva Ukrayiny : zb. nauk pratsʹ UkrNDIPVT im. L. Pohoriloho – Technical and technological aspects of development and testing of new equipment and technologies for agriculture in Ukraine: coll. of Labor Sciences of UkrNDIPVT named after L. Pogorily, Issue 22 (36), 259-263. [in Ukrainian].
6. Aliiev, E.B., Lykhodid, V.V., Zabudchenko, V.M. & Ivlyev, V.V. (2015). Doslidzhennya dynamiky deformatsiyi zvolozhenoyi hruboyi ovechoyi vovny pry ushchilʹnenni [Study of the dynamics of deformation of moistened coarse sheep's wool during compaction]. Tekhnika v silʹsʹkohospodarsʹkomu vyrobnytstvi, haluzeve mashynobuduvannya, avtomatyzatsiya – Machinery in Agricultural Production, Industrial Engineering, Automation, Issue 28, 132-138. [in Ukrainian].
7. Labatyuk, Yu. & Aliyev, E. (2014). Rozrakhunok syly oporu deformatsiyi gruntu pid diyeyu robochoho orhana hlybokorozpushuvacha [Calculation of the resistance force of soil deformation under the action of the working body of a deep loosener]. Visnyk Lʹvivsʹkoho natsionalʹnoho ahrarnoho universytetu: ahroinzhenerni doslidzhennya – Bulletin of the Lviv National Agrarian University: agricultural engineering research, 18, 46-52 [in Ukrainian].
8. Volontyr, L.O, Zelinsʹka, O.V., Potapova, N.A. & Chikov, I.A (2020). Chyselʹni metody: Navchalʹnyy posibnyk [Numerical methods: Tutorial]. Vinnytsya: VNAU [in Ukrainian].
9. Simcenter STAR-CCM+ 2021.3. Verification Suite. 2021. 333 p. [in English].
10. Stillinger, Frank H. & Lubachevsky, Boris D. (1993) Crystalline-amorphous interface packings for disks and spheres. Journal of Statistical Physics. 73 (3–4): 497–514. Doi: 10.1007/bf01054337 [in English].
11. Bannikov, D.O &, Tyutʹkin, O.L. (2020). Perspektyvni napryamy rozvytku mekhaniky sypuchoho seredovyshcha [Prospective directions of development of the mechanics of bulk media]. Nauka ta innovscyi – Science and Innovation, Vol. 16, № 2, 45-54. Doi: 10.15407/scin16.02.045 [in Ukrainian].
12. Aliiev, E.B. (2015). Dynamika deformatsiyi roztyahuvannya runa hruboyi ovechoyi vovny [Dynamics of the deformation of the stretching of the fleece of coarse sheep's wool]. Stan ta perspektyvy rozvytku ahropromyslovoho vyrobnytstva Ukrayiny: Visnyk Stepu. Naukovyy zbirnyk – Herald of the Steppe. State and prospects of the development of agro-industrial production of Ukraine: Science. coll., Issue. 12, 169-171. [in Ukrainian].
13. Franklin, S.V. & Shattuck, M.D. (2015). Handbook of Granular Materials. CRC Press. Doi: 10.1201/ b19291 [in English].
14. Aliiev, E., Dudin, V. & Linko, M. (2022). Physico-mathematical apparatus for numerical modelling of feed expander. Machinery & Energetics, 13(3), 9-16. Doi: 10.31548/machenergy.13(3).2022.9-16 [in English].
Citations
- Дідух Л.Д. Механіка: підручник. Тернопіль: підр. і посіб., 2016. 428 с.
- Faraji G., Kim H.S., Kashi H.T. Chapter 2 – Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples. Severe Plastic Deformation. Methods. Processing and Properties, 2018. P. 37-112. Doi: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3
- Perez-Gonzalez E.L., Bilodeau J.-P., Dore G. Analysis model for permanent deformation in granular materials under the action of superheavy vehicles. Transportation Geotechnics. 2021. Vol. 28. 100536. Doi: 10.1016/j.trgeo.2021.100536
- Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів: підр. / О.М. Царенко та ін.; за ред. Яцуна С.С. К.: Мета, 2003. 448 с.
- Івлєв В.В. Дослідження явища пружного гістерезису під час ударно-механічної взаємодії грубої овечої вовни. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства Україн: зб. наук праць УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого. 2018. Вип. 22 (36). С. 259-263.
- Дослідження динаміки деформації зволоженої грубої овечої вовни при ущільненні / Е.Б. Алієв, В.В. Лиходід, В.М. Забудченко, В.В. Івлєв. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: зб. наук праць Кіровоградського нац. техн. ун-ту. 2015. Вип. 28. С. 132-138.
- Лабатюк Ю., Алієв Е. Розрахунок сили опору деформації ґрунту під дією робочого органа глибокорозпушувача. Вісник Львівського національного аграрного університету: агроінженерні дослідження. 2014. № 18. С. 46-52.
- Чисельні методи: навч. посіб. / Л.О. Волонтир, О.В. Зелінська, Н.А. Потапова, І.А. Чіков. Вінниця: ВНАУ, 2020. 322 с.
- Simcenter STAR-CCM+ 2021.3. Verification Suite, 2021. 333 p.
- Stillinger, Frank H.; Lubachevsky, Boris D. Crystalline-amorphous interface packings for disks and spheres. Journal of Statistical Physics. 1993. 73 (3–4): 497–514. Doi: 10.1007/bf01054337.
- Банніков Д.О., Тютькін О.Л. Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища. Наука та інновації – . 2020. Т. 16, № 2. С. 45-54. Doi: 10.15407/scin16.02.045.
- Алієв Е.Б. Динаміка деформації розтягування руна грубої овечої вовни. Вісник Степу. Стан та перспективи розвитку агропромислового виробництва України : наук. зб. 2015. Вип. 12. С. 169-171.
- Franklin S.V., Shattuck M.D. Handbook of Granular Materials. CRC Press, 2015. 522 p. Doi: 10.1201/ b19291
- Aliiev E., Dudin V., Linko M. Physico-mathematical apparatus for numerical modelling of feed expander. Machinery & Energetics. 2022. 13(3). Pp. 9-16. Doi: 10.31548/machenergy.13(3).2022.9-16
Copyright (c) 2023 Vitalii Ivliev
Numerical Modeling of Elastic Hysteresis of Loose Material
About the Authors
Vitalii Ivliev, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, e-mail: ivliev.v.v@dsau.dp.ua, ORCID ID: 0000-0002-4878-4794
Abstract
Keywords
Full Text:
PDFReferences
1. Didukh, L.D. (2016). Mekhanika: pidruchnyk [Mechanics: a textbook]. Ternopilʹ: Pidruchnyky i posibnyky [in Ukrainian].
2. Faraji, G., Kim, H.S. & Kashi, H.T. (2018). Chapter 2 – Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples. Severe Plastic Deformation. Methods. Processing and Properties. P. 37-112. Doi: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3 [in English].
3. Perez-Gonzalez, E.L., Bilodeau, J.-P. & Dor,e G. (2021). Analysis model for permanent deformation in granular materials under the action of superheavy vehicles. Transportation Geotechnics, Vol. 28, 100536. Doi: 10.1016/j.trgeo.2021.100536 [in English].
4. Tsarenko, O.M., Voytyuk, D.H., Shvayko, V.M. et al. (2003). Mekhaniko-tekhnolohichni vlastyvosti silʹsʹkohospodarsʹkykh materialiv [Mechanical and technological properties of agricultural materials]. S.S. Yatsuna (Eds). Kyiv: Meta [in Ukrainian].
5. Ivlyev, V.V. (2018). Doslidzhennya yavyshcha pruzhnoho histerezysu pid chas udarno-mekhanichnoyi vzayemodiyi hruboyi ovechoyi vovny [Study of the phenomenon of elastic hysteresis during shock-mechanical interaction of coarse sheep's wool]. Tekhniko-tekhnolohichni aspekty rozvytku ta vyprobuvannya novoyi tekhniky i tekhnolohiy dlya silʹsʹkoho hospodarstva Ukrayiny : zb. nauk pratsʹ UkrNDIPVT im. L. Pohoriloho – Technical and technological aspects of development and testing of new equipment and technologies for agriculture in Ukraine: coll. of Labor Sciences of UkrNDIPVT named after L. Pogorily, Issue 22 (36), 259-263. [in Ukrainian].
6. Aliiev, E.B., Lykhodid, V.V., Zabudchenko, V.M. & Ivlyev, V.V. (2015). Doslidzhennya dynamiky deformatsiyi zvolozhenoyi hruboyi ovechoyi vovny pry ushchilʹnenni [Study of the dynamics of deformation of moistened coarse sheep's wool during compaction]. Tekhnika v silʹsʹkohospodarsʹkomu vyrobnytstvi, haluzeve mashynobuduvannya, avtomatyzatsiya – Machinery in Agricultural Production, Industrial Engineering, Automation, Issue 28, 132-138. [in Ukrainian].
7. Labatyuk, Yu. & Aliyev, E. (2014). Rozrakhunok syly oporu deformatsiyi gruntu pid diyeyu robochoho orhana hlybokorozpushuvacha [Calculation of the resistance force of soil deformation under the action of the working body of a deep loosener]. Visnyk Lʹvivsʹkoho natsionalʹnoho ahrarnoho universytetu: ahroinzhenerni doslidzhennya – Bulletin of the Lviv National Agrarian University: agricultural engineering research, 18, 46-52 [in Ukrainian].
8. Volontyr, L.O, Zelinsʹka, O.V., Potapova, N.A. & Chikov, I.A (2020). Chyselʹni metody: Navchalʹnyy posibnyk [Numerical methods: Tutorial]. Vinnytsya: VNAU [in Ukrainian].
9. Simcenter STAR-CCM+ 2021.3. Verification Suite. 2021. 333 p. [in English].
10. Stillinger, Frank H. & Lubachevsky, Boris D. (1993) Crystalline-amorphous interface packings for disks and spheres. Journal of Statistical Physics. 73 (3–4): 497–514. Doi: 10.1007/bf01054337 [in English].
11. Bannikov, D.O &, Tyutʹkin, O.L. (2020). Perspektyvni napryamy rozvytku mekhaniky sypuchoho seredovyshcha [Prospective directions of development of the mechanics of bulk media]. Nauka ta innovscyi – Science and Innovation, Vol. 16, № 2, 45-54. Doi: 10.15407/scin16.02.045 [in Ukrainian].
12. Aliiev, E.B. (2015). Dynamika deformatsiyi roztyahuvannya runa hruboyi ovechoyi vovny [Dynamics of the deformation of the stretching of the fleece of coarse sheep's wool]. Stan ta perspektyvy rozvytku ahropromyslovoho vyrobnytstva Ukrayiny: Visnyk Stepu. Naukovyy zbirnyk – Herald of the Steppe. State and prospects of the development of agro-industrial production of Ukraine: Science. coll., Issue. 12, 169-171. [in Ukrainian].
13. Franklin, S.V. & Shattuck, M.D. (2015). Handbook of Granular Materials. CRC Press. Doi: 10.1201/ b19291 [in English].
14. Aliiev, E., Dudin, V. & Linko, M. (2022). Physico-mathematical apparatus for numerical modelling of feed expander. Machinery & Energetics, 13(3), 9-16. Doi: 10.31548/machenergy.13(3).2022.9-16 [in English].
Citations
- Дідух Л.Д. Механіка: підручник. Тернопіль: підр. і посіб., 2016. 428 с.
- Faraji G., Kim H.S., Kashi H.T. Chapter 2 – Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples. Severe Plastic Deformation. Methods. Processing and Properties, 2018. P. 37-112. Doi: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3
- Perez-Gonzalez E.L., Bilodeau J.-P., Dore G. Analysis model for permanent deformation in granular materials under the action of superheavy vehicles. Transportation Geotechnics. 2021. Vol. 28. 100536. Doi: 10.1016/j.trgeo.2021.100536
- Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів: підр. / О.М. Царенко та ін.; за ред. Яцуна С.С. К.: Мета, 2003. 448 с.
- Івлєв В.В. Дослідження явища пружного гістерезису під час ударно-механічної взаємодії грубої овечої вовни. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства Україн: зб. наук праць УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого. 2018. Вип. 22 (36). С. 259-263.
- Дослідження динаміки деформації зволоженої грубої овечої вовни при ущільненні / Е.Б. Алієв, В.В. Лиходід, В.М. Забудченко, В.В. Івлєв. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: зб. наук праць Кіровоградського нац. техн. ун-ту. 2015. Вип. 28. С. 132-138.
- Лабатюк Ю., Алієв Е. Розрахунок сили опору деформації ґрунту під дією робочого органа глибокорозпушувача. Вісник Львівського національного аграрного університету: агроінженерні дослідження. 2014. № 18. С. 46-52.
- Чисельні методи: навч. посіб. / Л.О. Волонтир, О.В. Зелінська, Н.А. Потапова, І.А. Чіков. Вінниця: ВНАУ, 2020. 322 с.
- Simcenter STAR-CCM+ 2021.3. Verification Suite, 2021. 333 p.
- Stillinger, Frank H.; Lubachevsky, Boris D. Crystalline-amorphous interface packings for disks and spheres. Journal of Statistical Physics. 1993. 73 (3–4): 497–514. Doi: 10.1007/bf01054337.
- Банніков Д.О., Тютькін О.Л. Перспективні напрями розвитку механіки сипучого середовища. Наука та інновації – . 2020. Т. 16, № 2. С. 45-54. Doi: 10.15407/scin16.02.045.
- Алієв Е.Б. Динаміка деформації розтягування руна грубої овечої вовни. Вісник Степу. Стан та перспективи розвитку агропромислового виробництва України : наук. зб. 2015. Вип. 12. С. 169-171.
- Franklin S.V., Shattuck M.D. Handbook of Granular Materials. CRC Press, 2015. 522 p. Doi: 10.1201/ b19291
- Aliiev E., Dudin V., Linko M. Physico-mathematical apparatus for numerical modelling of feed expander. Machinery & Energetics. 2022. 13(3). Pp. 9-16. Doi: 10.31548/machenergy.13(3).2022.9-16