Forestry Engineering Journal Forestry Engineering Journal Лесотехнический журнал 2222-7962 104695 10.34220/issn.2222-7962/2025.3/13 Технологии. Машины и оборудование TECHNOLOGIES. MACHINERY AND EQUIPMENT Технологии. Машины и оборудование Mathematical model and methodology of express assessment crisis-deformed state of the machine frame for the care of forest crops Математическая модель и методика экспресс оценки напряженно-деформированного состояния рамы машины для ухода за лесными культурами Бухтояров Леонид Дмитриевич Bukhtoyarov Leonid Dmitrievich vglta-mlx@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Гнусов Максим Александрович Gnusov Maksim Aleksandrovich mgnusov@yandex.ru Лысыч Михаил Николаевич Lysych Mikhail Nikolaevich miklynea@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Воронеж Россия Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Воронеж Russian Federation 25 09 2025 25 09 2025 15 3 201 216 02 06 2025 15 09 2025 http://lestehjournal.ru/sites/default/files/journal_pdf/201-216.pdf

При разработке лесных машин и орудий активно используют метод конечных элементов (МКЭ), для расчета влияния внешних нагрузок на прочностные и частотные характеристики конструкций. Как правило для этого используются дорогостоящие коммерческие пакеты программ ANSYS, LS-DYNA и др. На ранних стадиях проектирования проверка неудовлетворительных решений дорогостоящими пакетами программ не является целесообразной. Авторами разработан метод, экспресс-оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) протестированный на конструкции кустореза, который работает прямо с геометрической моделью, выполненной в системе автоматизированного проектирования (САПР) и предоставляет возможность инженеру получать показатели прочности и жёсткости, имеющие важное значение для технологического процесса. Предлагаемый метод включает в себя: импорт САПР модели в формате STL; вокселизацию и построение регулярной сетки HEX8 с управляемым шагом h; задание условий Дирихле в зоне заделки и эквивалентной нагрузки Неймана через распределённое давление на нагруженных участках; сборку и решение линейно-упругой задачи; вычисление полей напряжений и эквивалентных напряжений Мизеса, а также оценку максимальных перемещений; экспорт результатов для последующего анализа. На примере балки кустореза продемонстрирована работа экспресс-методики. Установлено что при заданных нагрузках F=3000 Н максимальное напряжение у балки L=500, 40х40x3 мм составило 268 МПа что превышает предел текучести стали – 220 МПа. Методика позволила отбраковать эту балку и заменить на новую, с параметрами L=500, 80х80x3 мм, получены напряжения 58,3 МПа. Таким образом неудовлетворительный вариант был исключен ещё до тяжёлых мультифизических расчётов. Представленная методика предназначена для предварительной отбраковки слабых решений для снижения стоимости дальнейшей разработки лесных машин. Область применения – крупногабаритные механические узлы лесных машин и орудий.

In the development of forestry machines and tools, the finite element method (FEM) is actively used to calcu-late the effect of external loads on the strength and frequency characteristics of structures. As a rule, expensive com-mercial software packages ANSYS, LS-DYNA, etc. are used for this. At the early stages of design, checking unsatisfac-tory solutions with complex software packages is not advisable. The authors have developed a method for expressly assessing the stress-strain state (SSS) of tested brush cutter designs, working directly with a geometric model created in a computer-aided design (CAD) system and allowing the engineer to obtain strength and rigidity indicators that are im-portant for the technological process. The proposed method includes: import of a CAD model in STL format; voxeliza-tion and construction of a regular HEX8 grid with a controlled step h; setting Dirichlet conditions in the embedment zone and the equivalent Neumann load through the distributed pressure on the loaded areas; assembly and solution of a linear elastic problem; calculation of stress fields and von Mises equivalent stresses, as well as assessment of maxi-mum displacements; export of results for subsequent analysis. The express method is demonstrated using a brush cut-ter beam as an example. It was found that under the given loads F=3000 N, the maximum stress in the beam L=500, 40x40x3 mm was 268 MPa, and the yield strength was 220 MPa. The method allows to reject this beam and replace it with a new one, with parameters L=500, 80x80x3 mm, the resulting stress was 58.3 MPa. Thus, the unsatisfactory op-tion was excluded even before the difficult multiphysical calculations.. The presented method is intended for prelimi-nary rejection of weak solutions to reduce the cost of further development of forestry machines. The scope of applica-tion is large-sized mechanical units of forestry machines and tools.

 кусторез уход за лесными культурами лесные машины методика математическое моделирование метод конечных элементов (МКЭ) системы автоматизированного проектирования (САПР). brush cutter care of forest crops forestry machines methodology mathematical modeling finite element method (FEM) computer-aided design systems (CAD). Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №25-19-00876, https://rscf.ru/project/25-19-00876/. Mathematical model and methodology of express assessment crisis-deformed state of the machine frame for the care of forest crops

Chen Q., Zhao Y., Wang D., Chen Z., Wang Q., Yuan X. Multi-Level Matching Optimization Design of Thin-Walled Beam Cross-Section for Tri-Axle Unmanned Forestry Vehicle Frame. Forests, 2025; 16(1): 69. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16010069 Chen Q., Zhao Y., Wang D., Chen Z., Wang Q., Yuan X. Multi-Level Matching Optimization Design of Thin-Walled Beam Cross-Section for Tri-Axle Unmanned Forestry Vehicle Frame. Forests, 2025; 16(1): 69. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16010069 Mergl V., Zeizinger L., Popela D., Kašpárek J. Strength analysis of different design solutions of boom exten-sions for attaching the harvester head to the excavator. International Journal of Forest Engineering, 2025; 1–13. – DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2025.2484948 Mergl V., Zeizinger L., Popela D., Kašpárek J. Strength analysis of different design solutions of boom exten-sions for attaching the harvester head to the excavator. International Journal of Forest Engineering, 2025; 1–13. – DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2025.2484948 Mușa, E.C., Bitir I. Evaluating the Forest Road Systems Subjected to Different Loadings by Using the Finite Element Method. Forests, 2022; 13(11): 1872. – DOI: https://doi.org/10.3390/f13111872 Mușa, E.C., Bitir I. Evaluating the Forest Road Systems Subjected to Different Loadings by Using the Finite Element Method. Forests, 2022; 13(11): 1872. – DOI: https://doi.org/10.3390/f13111872 Mergl V., Kašpárek J. Verifying the Lifting and Slewing Dynamics of a Harvester Crane with Possible Level-ling When Operating on Sloping Grounds. Forests, 2022; 13(2): 357. – DOI: https://doi.org/10.3390/f13020357 Mergl V., Kašpárek J. Verifying the Lifting and Slewing Dynamics of a Harvester Crane with Possible Level-ling When Operating on Sloping Grounds. Forests, 2022; 13(2): 357. – DOI: https://doi.org/10.3390/f13020357 Zhu B., Liu J., Yang C., Qu W., Ding P. Power Compensation Strategy and Experiment of Large Seedling Tree Planter Based on Energy Storage Flywheel. Forests, 2023; 14(5): 1039. – DOI: https://doi.org/10.3390/f14051039 Zhu B., Liu J., Yang C., Qu W., Ding P. Power Compensation Strategy and Experiment of Large Seedling Tree Planter Based on Energy Storage Flywheel. Forests, 2023; 14(5): 1039. – DOI: https://doi.org/10.3390/f14051039 Jia N., Guo L., Zhang Y., Liu J. Multi-Physical Field Coupling Simulation and Experimental Study on the Ra-diation Characteristics of Sawing Noise from Circular Saw Blades in Woodworking. Forests, 2025; 16(3): 442. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16030442 Jia N., Guo L., Zhang Y., Liu J. Multi-Physical Field Coupling Simulation and Experimental Study on the Ra-diation Characteristics of Sawing Noise from Circular Saw Blades in Woodworking. Forests, 2025; 16(3): 442. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16030442 Jia N., Guo L., Wang R., Liu, J. Design of Vibration and Noise Reduction for Ultra-Thin Cemented Carbide Circular Saw Blades in Woodworking Based on Multi-Objective Optimization. Forests, 2024; 15(9): 1554. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15091554 Jia N., Guo L., Wang R., Liu, J. Design of Vibration and Noise Reduction for Ultra-Thin Cemented Carbide Circular Saw Blades in Woodworking Based on Multi-Objective Optimization. Forests, 2024; 15(9): 1554. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15091554 Takeyama K., Yokochi H., Nishio S., Tsuchikawa S. Characteristics of resonance sound in a circular saw en-closure. BioResources, 2023; 18(4): 8473-8483. – DOI: https://doi.org/10.15376/biores.18.4.8473-8483 Takeyama K., Yokochi H., Nishio S., Tsuchikawa S. Characteristics of resonance sound in a circular saw en-closure. BioResources, 2023; 18(4): 8473-8483. – DOI: https://doi.org/10.15376/biores.18.4.8473-8483 Ding Y., Ma Y., Liu T., Zhang J., Yang C. Experimental Study on the Dynamic Stability of Circular Saw Blades during the Processing of Bamboo-Based Fiber Composite Panels. Forests, 2023; 14(9): 1855. – DOI: https://doi.org/10.3390/f14091855 Ding Y., Ma Y., Liu T., Zhang J., Yang C. Experimental Study on the Dynamic Stability of Circular Saw Blades during the Processing of Bamboo-Based Fiber Composite Panels. Forests, 2023; 14(9): 1855. – DOI: https://doi.org/10.3390/f14091855 Ji B., Zhao Y., Chen J., Xu L., Zhou H., Zhou J. Vibration Control of Forestry Storage Ventilation Fans Through Structural Parameter Optimization Considering Substructure Uncertainty. Forests, 2025; 16(6): 1011. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16061011 Ji B., Zhao Y., Chen J., Xu L., Zhou H., Zhou J. Vibration Control of Forestry Storage Ventilation Fans Through Structural Parameter Optimization Considering Substructure Uncertainty. Forests, 2025; 16(6): 1011. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16061011 Liu Y., Ban Y., Zhang X., Zhao G., Wen J., Lin C. Tool–Branch Interaction Mechanism of Impact-Pruning Process Based on Finite Element Method. Forests, 2024; 15(11): 1902. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15111902 Liu Y., Ban Y., Zhang X., Zhao G., Wen J., Lin C. Tool–Branch Interaction Mechanism of Impact-Pruning Process Based on Finite Element Method. Forests, 2024; 15(11): 1902. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15111902 Ban Y., Liu Y., Zhao X., Lin C., Wen J., Li W. Experimental Study on the Design and Cutting Mechanical Properties of Bionic Pruning Blades. Forests, 2024; 15(10): 1765. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15101765 Ban Y., Liu Y., Zhao X., Lin C., Wen J., Li W. Experimental Study on the Design and Cutting Mechanical Properties of Bionic Pruning Blades. Forests, 2024; 15(10): 1765. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15101765 Krilek J., Tichý B., Kováč J., Melicherčík J., Kuvik, T. Design of a stationary disc chipper project for den-dromass chipping with stress analysis FEM methods. BioResources, 2021; 16(4): 8205-8218. – DOI: https://doi.org/10.15376/biores.16.4.8205-8218 Krilek J., Tichý B., Kováč J., Melicherčík J., Kuvik, T. Design of a stationary disc chipper project for den-dromass chipping with stress analysis FEM methods. BioResources, 2021; 16(4): 8205-8218. – DOI: https://doi.org/10.15376/biores.16.4.8205-8218 Cao J., Fan B., Xiao S., Su X. Stability Analysis of Planetary Rotor with Variable Speed Self Rotation and Uniform Eccentric Revolution in the Rubber Tapping Machinery. Forests, 2024: 15(6), 1071. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15061071 Cao J., Fan B., Xiao S., Su X. Stability Analysis of Planetary Rotor with Variable Speed Self Rotation and Uniform Eccentric Revolution in the Rubber Tapping Machinery. Forests, 2024: 15(6), 1071. – DOI: https://doi.org/10.3390/f15061071 Li X., Wang S., Guo Y., Zhang J., He L., Zhou J., Miao Y., Liu Z. Experiments and Simulation on the Effects of Arch Height Variation on the Vibrational Response of Paulownia Wood. Forests, 2025; 16(3): 545. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16030545 Li X., Wang S., Guo Y., Zhang J., He L., Zhou J., Miao Y., Liu Z. Experiments and Simulation on the Effects of Arch Height Variation on the Vibrational Response of Paulownia Wood. Forests, 2025; 16(3): 545. – DOI: https://doi.org/10.3390/f16030545 Xuan Y., Xu L., Liu G., Zhou J. The Potential Influence of Tree Crown Structure on the Ginkgo Harvest. Forests, 2021; 12(3): 366. – DOI: https://doi.org/10.3390/f12030366 Xuan Y., Xu L., Liu G., Zhou J. The Potential Influence of Tree Crown Structure on the Ginkgo Harvest. Forests, 2021; 12(3): 366. – DOI: https://doi.org/10.3390/f12030366 Драпалюк М.В., Бухтояров Л.Д., Придворова А.В. Имитационная модель ротора кустореза с шестью лезвиями // Лесотехнический журнал. – 2021. – Т. 11, № 3(43). – С. 121-129. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2021.3/10 Drapalyuk M.V., Bukhtoyarov L.D., Pridvorova A.V. Imitatsionnaya model rotora kustoreza s shestyu lezviyami [Simulation model of a brush cutter rotor with six blades]. Lesotekhnicheskii zhurnal / Forestry Engineering journal, 2021; Vol. 11, 3 (43): 121–129. – DOI: https://doi.org/34220/issn.2222-7962/2021.3/10 Драпалюк М.В., Бухтояров Л.Д., Прокудина А.В. Результаты исследований процесса резания ветвей ротором с шарнирно-сочлененными и жестко установленными лезвиями // Лесотехнический журнал. – 2022. – Т. 12, № 2(46). – С. 80-88. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2022.2/7 Drapalyuk M.V., Bukhtoyarov L.D., Prokudina A.V. Rezultaty issledovaniy protsessa rezaniya vetvey roto-rom s sharnirno-sochlenennymi i zhestko ustanovlennymi lezviyami [Results of research into the process of cutting branches by a rotor with articulated and rigidly mounted blades]. Lesotekhnicheskii zhurnal / Forestry Engineering journal, 2022; Vol. 12, 2(46): 80–88. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2022.2/7 Драпалюк М.В., Бухтояров Л.Д., О.А. Куницкая и др. Изучение мощностных показателей и качества среза шарнирно- сочлененным и ножевым рабочими органами роторного кустореза // Системы. Методы. Тех-нологии. – 2023. – № 2(58). – С. 7-13. – DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2023-2-7-13 Drapalyuk M.V., Bukhtoyarov L.D., Kunitskaya O.A. Izuchenie moshchnostnykh pokazateley i kachestva sreza sharnirno- sochlenennym i nozhevym rabochimi organami rotornogo kustoreza [Study of power indicators and quality of cutting by articulated and knife working bodies of a rotary brush cutter]. Sistemy. Metody. Tekhnologii / Systems. Methods. Technologies. 2023; 2 (58): 7–13. – DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2023-2-7-13 Бухтояров Л.Д. Имитационное моделирование работы ротора кустореза с шарнирно установленны-ми лезвиями // Лесной вестник. Forestry Bulletin. – 2025. – Т. 29, № 1. – С. 38-49. – DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-1-38-49 Bukhtoyarov L.D. Imitatsionnoe modelirovanie raboty rotora kustoreza s sharnirno ustanovlennymi lezvi-yami [Simulation modeling of the operation of a brush cutter rotor with hinged blades]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulle-tin. 2025; 29(1): 38–49. – DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-1-38-49