ITEM METADATA RECORD
Title: The Discrete Element Method (DEM) to simulate fruit impact damage during transport and handling
Other Titles: De discrete-elementen methode voor het simuleren van impactschade van fruit tijdens transport en verhandeling
Authors: Van Zeebroeck, Michael; S0070283
Issue Date: 22-Apr-2005
Abstract: In dit doctoraatswerk werd een bijdrage geleverd aan het blutsschadeprob leem van fruit (appels en tomaten), het meest belangrijke type van mecha nische schade tijdens de naoogstbehandeling. Naast het rechtstreekse eff ect van blutsschade op de vruchtkwaliteit en de visuele appreciatie door de consument, bestaat er ook het onrechtstreekse effect van contaminati e doordat pathogene organismen beschadigd weefsel kunnen binnendringen, met een drastische vermindering van de houdbaarheid van de vruchten tot gevolg. Een computersimulatietechniek, genaamd Discrete-elementen Methode (DEM) of Granulaire Dynamica (GD), werd toegepast om inzichten te verwerven in het blutsschadeprobleem. DEM is in het kort samengevat een numerieke te chniek waarmee het kinematische en dynamische gedrag van deeltjes ten ge volge van botsingen wordt gemodelleerd. Een deeltje is bijvoorbeeld een vrucht. In DEM worden alle krachten die op een individueel deeltje inwer ken opgeteld. Deze krachten zijn meestal de zwaartekracht en contactkrac hten (botsingskrachten). De bewegingsvergelijkingen van Newton en Euler worden geïntegreerd om de snelheden en de posities van de deeltjes in de volgende tijdstap te bekomen. DEM is ontstaan in het onderzoeksdomein v an gesteentemechanica en wordt ook intensief gebruikt voor het simuleren van het dynamische gedrag van ingenieursmaterialen. Toepassing van DEM voor biologische materialen zijn tot op heden beperkt gebleven, zeker vo or de ‘zachte’ biologische materialen zoals vruchten. Omwile van het visco-elastische gedrag van de meeste biologische materia len zijn DEM simulaties complexer dan voor de harde elastisch-(plastisch e) materialen. Een groot deel van het doctoraatswerk werd besteed aan he t leren omgaan met het visco-elastische karakter van de vruchten zodat D EM simulaties mogelijk worden. Meer in detail werden experimentele proce dures ontwikkeld die het mogelijk maken om de parameters in visco-elasti sche contactkrachtenmodellen te bepalen. Deze contactkrachtenmodellen vo rmen een essentieel onderdeel van DEM, daar zij op een kwantitatieve man ier de impactkrachten tussen de deeltjes bepalen. Typisch worden de cont actkrachten ontleedt in hun normale en tangentiële component. Een niet-lineaire kleinstekwadraten methode werd gebruikt om de paramete rs (stijfheid en demping) van het visco-elastische contactkrachtenmodel volgens Kuwabara en Kono voor normale impact tussen bollen te bepalen. E r werd aangetoond dat zowel de effectieve kromtestraal van de botsende d eeltjes als de relatieve impactsnelheid een effect heeft op de parameter s van het contactkrachtenmodel. Een slinger werd ontwikkeld om de experimentele impactgrootheden (contac tkracht, verplaatsing en verplaatsingssnelheid) van vruchten te bepalen. Er werd aangetoond dat een rechtstreekse meting van de verplaatsing d.m .v. een incrementeel encoder (‘digitale hoekmeter’) nauwkeuriger is dan de klassieke dubbele integratie van het accelerometersignaal. Een experimentele procedure werd ontwikkeld om de parameters te bepalen van een visco-elastisch tangentieel contactkrachtenmodel door gebruik te maken van een reometer, een meettoestel normaliter gebruikt om de visco -elastische eigenschappen van vloeistoffen en semi-vaste stoffen te bepa len. Het visco-elastische tangentiële contactkrachtenmodel waarvan de pa rameters bepaald werden, was een visco-elastische uitbreiding van het kl assieke Mindlin en Deresiewicz model voor elastische bollen. De reometer werd eveneens gebruikt om deze visco-elastische uitbreiding te validere n. Een ander belangrijk deel van het doctoraatswerk handelde over blutspred ictiemodellen. Deze modellen zijn weliswaar niet inherent aan DEM, maar wel essentieel voor de bruikbaarheid van DEM in het blutsschadeprobleem. De blutspredictiemodellen koppelen immers de contactkrachten tussen de deeltjes, die gemodelleerd worden door de contactkrachtenmodellen met de eigenlijke mechanische schade. Meervoudige lineaire en niet-lineaire re gressiemodellen werden ontwikkeld om ook vruchteigenschappen zoals rijph eid, stijfheid, vruchttemperatuur, kromtestraal, oogstdatum (enkel appel s) en plaats van impact (enkel tomaten: hok of schot) te koppelen met de blutsschade. Blutsvolume werd gebruikt als maat voor appelblutsschade G eabsorbeerde energie werd aangewend als maat voor butsschade van tomaten , omdat een objectieve methode voor het opmeten van de bluts bij tomaten nog niet beschikbaar is. Interessante interacties tussen de vruchtparam eters onderling en tussen de piekcontactkracht (of impactenergie) en de vruchtparameters werden geïdentificeerd. De validiteit van DEM voor het modelleren van de blutsschade werd nagega an voor Jonagold- appels. ‘Blutsschade’ werd verkozen als validatieparam eter boven het meer gebruikelijke ‘traject gevolgd door de deeltjes’. De blutsschade van de appels in kisten, welke werden geschud met een preci es bepaald acceleratiesignaal op een electro-hydraulische schudstand, we rd vergeleken met de blutsschade berekend uit DEM-computersimulaties met identieke initiële condities als in de reële experimenten. Uit deze val idatie experimenten kon worden besloten dat DEM op een voldoende nauwkeu rige wijze de blutsschade van appels ten gevolge van trillingen kan mode lleren. Ter afsluiting van het onderzoek werd een ‘case studie’ uitgevoerd, gebr uik makende van de DEMeter++ software en de opgemeten parameters van de contactkrachten- en blutsmodellen. Simulaties tot 1500 deeltjes werden u itgevoerd. De case studie bestond erin dat het effect van mechanische pa rameters en van vruchtparameters op trillingsschade (impactschade ten ge volge van trillingen) van appels en tomaten werd nagegaan. Het bulktrans port van appels (appels getransporteerd in palloxen) en het transport va n tomaten in EPS kistjes werd onderzocht. Als acceleratiesignaal werd ee n verticale sinus aangelegd. De bestudeerde mechanische parameters waren piekacceleratie en frequentie van het trillingssignaal, de stapelhoogte en de grootte van de appels en de tomaten. De bestudeerde vruchtparamet ers bestonden uit de vruchttemperatuur, de rijpheid, de stijfheid en de plukdatum (enkel appels). Er werden grote effecten van de mechanische pa rameters maar bescheiden effecten van de vruchtparameters op de blutssch ade opgetekend. Voor de appels werd ook een gedetailleerde studie uitgev oerd van de relatie tussen appelpositie in de stapeling en blutsschade. Zo werd aangetoond dat de positie - blutsschade relatie afhankelijk is v an de acceleratie-amplitude, trillingsfrequentie en stapelhoogte. Tenslo tte werd ook het bestaan van ‘schadeketens’ in een stapel appels aangeto ond, wat in analogie is met de in de literatuur uitvoerig beschreven kra chtketens in bulkmaterialen.
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Division of Mechatronics, Biostatistics and Sensors (MeBioS)

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
doctoraatMichaelVanZeebroeck.PDF Published 5423KbAdobe PDFView/Open

 


All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.