Reliability analysis of a mounted moldboard plow structure using the Monte Carlo simulation method

Document Type : Research Paper


1 Department of Mechanical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, I. R. Iran

2 Department of Industrial Design, Faculty of Applied Arts, University of Art, Tehran, I. R. Iran

3 Department of Biosystems Engineering, School of Agriculture, Shiraz University, Shiraz, I. R. Iran



Applying the reliability concept as a new and profitable design approach can optimize the design and manufacturing of tillage machines. In this study, the Monte Carlo method was used to perform reliability analysis on the whole chassis of a moldboard plow. For this, a complete model of a three-bottom moldboard plow was assumed as the limit mode function. Stochastic soil parameters were applied and the interaction forces of the plow with soil were simulated with finite element method (FEM). The desired output was the soil reaction forces on the plow at the most critical plowing speed and depth. Then, by applying the forces obtained from the FEM model and considering Young’s modulus of the chassis as a random variable, chassis static analysis was performed in different iterations and the stress concentration at different locations was determined. The probability of failure (Pf) and reliability index (β) of different locations of chassis were calculated. The results of the Monte Carlo simulation showed that the highest Pf occurred in crossbars, standards, braces and, masts with the values of 1, 0.296, 0.165 and, 0.033, respectively, which indicates the uncertainty of the design in these parts and the needs to strengthen or optimize the aforementioned parts of the moldboard plow chassis.


Main Subjects

Article Title [Persian]

تحلیل قابلیت اعتماد سازه‌ گاوآهن برگردان‌دار سوار به روش شبیه‌سازی مونت کارلو

Authors [Persian]

  • سید محمد رضا ناظم السادات 1
  • داود قنبریان 2
  • محمد امین نعمت اللهی 3
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز، شیراز، ج. ا. ایران
2 گروه طراحی صنعتی، دانشگاه هنر، تهران، ج. ا. ایران
3 گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شیراز، شیراز، ج. ا. ایران
Abstract [Persian]

استفاده از مفهوم قابلیت اعتماد به عنوان یک رویکرد طراحی جدید و سودآور می‌تواند طراحی و ساخت ماشین‌های خاک‌ورزی را بهینه کند. در این تحقیق به منظور انجام تحلیل قابلیت اعتماد بر روی شاسی یک گاوآهن برگردان‌دار، از روش شبیه‌سازی مونت کارلو (MCS)  استفاده گردید. بدین منظور مدل کاملی از یک گاوآهن برگردان‌دار سه خیش سوار به عنوان تابع حالت حدی در نظر گرفته شد. پارامترهای تصادفی خاک اعمال گردید و نیروهای اثر متقابل گاوآهن با خاک به روش اجزاء محدود، شبیه‌سازی (finite element method, FEM) شد. خروجی مورد نظر، نیروهای عکس‌العمل خاک بر گاوآهن در بحرانی‌ترین سرعت‌ و عمق شخم بود. سپس با اعمال نیروهای به‌دست آمده از مدل اجزاء محدود و همچنین در نظر گرفتن مدول یانگ شاسی به عنوان متغیر تصادفی، تحلیل استاتیکی شاسی در تکرارهای مختلف انجام و تمرکز تنش بر روی محل‌های مختلف شاسی مشخص گردید. سپس احتمال خرابی (Pf) و شاخص قابلیت اعتماد (β) محل‌های مختلف شاسی محاسبه گردید. نتایج شبیه سازی مونت‌کارلو نشان داد که بیشترین احتمال خرابی به ترتیب در میله عرضی، ساقه خیش، مهاربند و دکل با مقادیر 1، 0/269، 0/165و 0/033 رخ داده که نشان‌دهنده عدم اطمینان طراحی در این قسمت‌ها می‌باشد، بنابراین تقویت یا بهینه­ سازی قسمت‌های ذکر شده شاسی گاوآهن برگردان‌دار ضروری به نظر می‌رسد.

Keywords [Persian]

  • اجزاء محدود
  • شاسی
  • شبیه‌سازی مونت‌کارلو
  • قابلیت اعتماد
  • گاوآهن برگردان‌دار
Abo Al-kheer, A., El-Hami. A., Kharmanda, M. G., & Mouazen, A. M. (2011). Reliability-based design for soil tillage machines. Journal of Terramechanics, 48(1), 57–64.
Ditlevsen, O., & Madsen, H. O. (2005). Structural reliability methods. Internet edition. 2.2.5. First edition published by John Wiley & Sons, Chichester, 1996.
Godwin, R. J., O’Dogherty, M. J., Saunders, C., & Balafoutis, A. T. (2007). A force prediction model for moldboard plows incorporating the effects of soil characteristic properties, plow geometric factors and plowing speed. Biosystems Engineering, 97(1), 117-129.
Hadianfard, M. A., Malekpour, S., & Momeni, M. (2018). Reliability analysis of H-section steel columns under blast loading. Journal of Structural Safety, 75, 45–56.
Jiang, S., Du, C., & Hong, Y. (2013). Failure analysis of a cracked concrete gravity dam under earthquake. Engineering Failure Analysis, 33, 265-280. https:// doi: 10.1016/j.engfailanal .2013.05.024
Kartal, M. E., Başağa, H. B. & Bayraktar A. (2011). Probabilistic nonlinear analysis of CFR dams by MCS using Response Surface Method. Applied Mathematical Modelling, 35(6), 2752-2770. https://doi: 10.1016/j.apm. 2010.12.003.
Kharmnda, G., Ibrahim, M. H., Abo Al-Kheer, A., Guerin, F., & El-Hami, A. (2014). Reliability-based design optimization of shank chisel plow using optimum safety factor strategy. Computers and Electronics in Agriculture, 109, 162-171. https://doi: org/10.1016/j.compag.2014.09.001.
McKyes, E & Ali, O. S. (1977). The cutting of soil by narrow blades. Journal of Terramechanics, 14, 43-58.
Metropolis, N., & Ulam, S. (1949). The Monte Carlo Method. Journal of American Statistical Association, 44, 335-41.
https://doi: 10.1080/01621459.1949. 10483310.
Melchers, R. E. (2018). Structural reliability analysis and prediction. Chichester: John Wiley & Sons.
Mojahed, M. M., & Ahmadi Nedushan, B. (2013). Reliability analysis of steel frames based on advanced methods of Monte Carlo. 7th National Congress of Civil Engineering. Shahid Nikbakht Faculty of Engineering. 17 and 18 May. Sistan and Baluchestan University. Zahedan.) In Persian).
Nazemosadat, S. M. R., Ghanbarian, D., Naderi-Boldaji, M., & Nematollahi, M. A. (2022a). Structural analysis of a mounted moldboard plow using finite element simulation method. Spanish Journal of Agricultural Research. 20(2), 1-14.
 Nazemosadat, S. M. R., Naderi-Boldaji, M., Ghanbarian, D., & Nematollahi, M. A. (2022b). Reliability analysis of a mounted moldboard plow bottom standard using the FORM method. Journal of Optimization in Industrial Engineering. 15(2), 170-190.
Nowak, A. S., & Collins, K. R. (2012). Reliability of Structures. Second Edition. CRC Press.
Shayanfar, M., Ghanooni Bagha, M., & Jahani, E. (2015). Reliability theory of structures. Iran: Tehran, University of Science and Technology Publications. )In Persian).
Sorensen, J. D. (2004). Structural reliability theory and risk analysis. Denmark: Aalborg, Institute of Building Technology and Structural Engineering Aalborg University.
Zhang, S., Wang, G., Wang, C., Pang, B., & Du, C. (2014). Numerical simulation of failure modes of concrete gravity dams subjected to underwater explosion. Engineering Failure Analysis, 36, 49-64.