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Determination of physical and mechanical properties of the coffee branch: an experimental approach
(Universidade Federal de Lavras, 2022-06-09) Melo Júnior, Wellington Washington Andrade de; Santos, Fabio Lúcio; Scinocca, Francisco; Rosa, Pablo Antunes da; Magalhães, Ricardo Rodrigues
In order to reduce the human efforts during manual harvesting and increase the operational capacity and quality, the mechanization of the harvesting operation has been significantly increasing in the last few years for coffee crops. Therefore, for the design of coffee harvesting machines, the physical and mechanical properties of coffee branches are of utmost importance for harvesting machines projects. In this way, using an experimental approach, the present paper analyzes the variability of physical and mechanical properties in the coffee branches, of the Coffea arabica L., cultivar Catuaí-Vermelho (IAC 144). The branches were collected in different positions, along the orthotropic branch: upper, middle and lower parts of the plant. The mass, volume, spe-cific mass, and modulus of elasticity of the collected specimens were determined considering their position in the plant and position along the branches. According to the position in the plant, no significant differences were found between the specific mass averages for the upper, middle, and lower parts of the plant. The research obtained an average of 1.24 GPa with a standard deviation of 0.13 GPa for the elasticity modulus. A significant increase in the elasticity modulus could be noted in the branches from the top to the bottom of the plant in the present research.
Dynamic Behavior of Coffee Branches: an Analysis Using the Finite Element Method
(Instituto de Tecnologia do Paraná - Tecpar, 2024-01-12) Melo Junior, Wellington Washington Andrade de; Santos, Fábio Lúcio; Scinocca, Francisco; Rosa, Pablo Antunes da; Magalhães, Ricardo Rodrigues
The use of computational simulation techniques is an important tool for the coffee harvesting issues, particularly the finite element method. The method is widely used in the structural analysis of agricultural machinery, as well as in the analysis of the stresses and vibrations of coffee branches and peduncles during the harvesting process. The present study aimed to develop three-dimensional finite element models of the plagiotropic branches of the Catuaí Vermelho variety of Arabica coffee in different positions along the orthotropic branches of the plant; considering high-fidelity models. Additionally, by considering the branches’ experimental properties (physical-mechanical), the natural frequencies and vibration modes of the branches were determined by means of computer simulations. First, the geometric properties of the coffee branches were obtained by means of two images taken using a professional camera to obtain the input data of the virtual simulation. For the mechanical properties, it was used a semi-analytical digital scale, to obtain the mass of the specimens. The modulus of elasticity was determined using a universal testing machine. The variability in the simulated natural frequencies could be identified, which was on the order of 30% for the first frequency, regardless of the position of the branch in the plant. These values were lower for the other frequencies. Linear regression fits showed a coefficient of determination, and correlation tests were used to verify the relationship between the values obtained numerically and experimentally, which were validated by using experimental data using the modal analysis techniques.
Investigação da interação entre a haste de uma colhedora e o ramo de um cafeeiro utilizando simulação numérica
(Universidade Federal de Lavras, 2017-12-12) Souza, Victor Hugo Silva; Magalhães, Ricardo Rodrigues
No passado, a validação da solução de problemas na indústria era obtida, quase em sua totalidade, por meio de testes experimentais. Atualmente, programas comerciais de simulação numérica vêm contribuindo, de maneira significativa, na redução destes testes e, consequentemente, reduzindo tempo e custos no desenvolvimento de novos produtos. Considerando as dificuldades para modelar estruturas biológicas, como o ramo do café, o objetivo deste trabalho foi a avaliação do comportamento mecânico da interação entre a haste da colhedora e o ramo cafeeiro por vibração, usando modelagem computacional. Para isso, realizou-se a modelagem da haste da colhedora e do ramo cafeeiro, por meio do software comercial Solidworks ® e, posterior, simulações numéricas via Método dos Elementos Finitos para análise de tensões e deslocamentos no software Ansys ® versão 14.5. Ensaios experimentais foram realizados, a partir de amostras da haste de uma colhedora e com ramos de cafeeiro da cultivar Catuaí Vermelho, variedade IAC 144, no intuito de validar os resultados das simulações numéricas. Os resultados encontrados na simulação para o deslocamento e aceleração foram, respectivamente, 0,225 mm e 43,342 m/s2. Já os resultados obtidos no ensaio experimental, para o deslocamento e aceleração, foram de 0,293 mm e 41,982 m/s2.Com isto, foram validadas as simulações numéricas, o que pode contribuir para o direcionamento de novas pesquisas científicas, na criação e desenvolvimento de novas tecnologias para o sistema de colheita mecanizada de café, utilizando modelagem computacional.
Modelagem e validação de um cafeeiro por elementos finitos utilizando escaneamento 3D e análise modal experimental
(Universidade Federal de Lavras, 2023-10-06) Silva, Davidson Silveira e; Magalhães, Ricardo Rodrigues; Santos, Fabio Lúcio
O café é um dos produtos mais importantes na economia brasileira, sendo o país o maior exportador do grão do mundo. Estudos voltados para simulações nas etapas de colheita mecanizada tem sido de grande interesse, tanto na academia quanto na agroindústria. Neste sentido, este trabalho tem como principal objetivo obter um modelo computacional dos ramos, empregando técnicas de escaneamento e validação experimental através de análise modal. Para isso, ramos de um cafeeiro Catuaí Vermelho foram escaneados e simulados computacionalmente para obtenção de um modelo computacional que represente o comportamento estático e dinâmico dos ramos. Previamente foi realizada a avaliação de quanto o modelo escaneado foi representativo aos dados obtidos experimentalmente. A massa específica e o módulo de elasticidade dos ramos selecionados foram obtidas em laboratório e utilizadas também como parâmetros para as simulações. Para a obtenção dos resultados de análises estática e modal, os modelos geométricos dos ramos foram simulados via Método dos Elementos Finitos (MEF). A validação do procedimento adotado deu-se por meio de experimentos, os quais certificaram que os três primeiros modos de vibração dos ramos ensaiados foram similares, observando-se desvios variando entre 2 e 20%. A análise estatística adotada indicou tendência de comportamento similar entre os ramos simulados e os resultados experimentais. Com base nos resultados obtidos, concluiu-se que é possível prever o comportamento dinâmico e estático de ramos de um cafeeiro a partir do escaneamento tridimensional e simulações numéricas via MEF. Isto pode ser considerado um avanço tecnológico, uma vez que normalmente são obtidos modelos simplificados por coordenadas geométricas.
Physical and mechanical properties of the wood of coffee trunks and branches
(Editora UFLA, 2020) Velloso, Nara Silveira; Magalhães, Ricardo Rodrigues; Santos, Fábio Lúcio; Nunes, Márcio Felipe Pinheiro Neri; Vicentini, Bruno
Knowledge of the physical and mechanical properties of coffee plants is essential to the development of mechanisms that perform the harvesting of their fruits by the principle of mechanical vibrations; however, these properties have yet to be determined in the laboratory. In this context, the present study aimed to determine the mechanical and physical properties of coffee plants through tensile and compression tests by means of a universal testing machine. Elasticity modulus, Poisson’s ratio, and specific mass were determined for specimens developed from the trunks and branches of 20 samples whole coffee plants, Coffea arabica variety, Catuaí Vermelho cultivar. The elasticity modulus was determined by the slope of the secant line in the elastic region of the stress-strain curve. Poisson’s ratio was determined by direct measurements in regions previously marked on the specimens. The conventional specific mass was obtained by the ratio between the mass of specimens and their volume. The methodology allowed the studied properties and a database to be obtained, and they can be used as a basis for the development and operation of the mechanism used in the mechanical and semi mechanical harvesting of coffee fruits. The results obtained indicate the following values for elasticity modulus of the trunk, performed from compression tests: 1090.94 MPa in the longitudinal direction and 108.60 MPa in the cross-sectional direction. For elasticity modulus of the branches, performed from tensile tests in the longitudinal direction: 507.72 MPa. For Poisson’s ratio, determined by direct measurements: 0.25 for the trunk and 0.09 for the branches. And for specific mass: 1070.05 kg.m-3 for the trunk and 1036.33 kg.m-3 for the branches.
Protocolo para digitalização e modelagem de cafeeiro para fins de simulação numérica
(Universidade Federal de Lavras, 2016-03-23) Carvalho, Enio de Araújo; Magalhães, Ricardo Rodrigues
O objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo computacional tridimensional de um cafeeiro (Coffea arabica L.) e realizar testes experimentais de simulação numérica via Método dos Elementos Finitos (MEF). Com base no modelo computacional tridimensional de uma árvore cafeeira, o projeto foi desenvolvido aplicando-se modelagens computacionais e simulações numéricas. Para isto, um modelo computacional tridimensional, representativo da estrutura morfológica de um cafeeiro adulto, foi obtido. Procedeu-se ao escaneamento da estrutura lenhosa de sustentação de folhas e frutos, formada pelo tronco principal ou ortotrópico e as ramificações plagiotrópicas de um cafeeiro da Cultivar Catuaí Vermelho IAC 144, com idade de 8 anos, coletado como amostra, em uma propriedade rural, localizada no município de Nepomuceno-MG. Como resultado principal desta pesquisa, desenvolveu-se um protocolo de digitalização e modelagem de cafeeiro para fins de simulação numérica via MEF. Com isto, este trabalho poderá contribuir para o direcionamento de novas pesquisas científicas, na área e no desenvolvimento de novas tecnologias, para os sistemas mecânicos de colheita de café, beneficiando de forma direta o setor industrial e o meio agrícola.