用于评估重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建方法

技术领域

本发明属于农林业果树采收领域，具体是一种用于评估重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建方法。

背景技术

在林果振动采收过程中，柄果系统的固有频率在很大程度上决定了其在受迫振动下的运动响应，进而影响着果实的落果情况。为了更好地理解和优化振动采收过程，研究柄果系统固有频率的影响变得尤为必要。不论是哪种林果作物，其果实生长具有一定的随机性，导致果实的外形并非完全对称的结构。这种非对称性对柄果系统的振动特性产生了影响。例如，果实的形状、果核的位置和重量的差异都会导致柄果系统的质量分布发生变化，使得柄果系统的重心位置具有一定的随机性，往往不处于理想状态下的柄果系统中心线位置，进而改变系统的惯性矩和刚度，从而影响柄果系统的固有频率。虽然国内外一些学者针对柄果系统固有频率建立了相关模型进行研究，但在模型构建中都未考虑到重心位置的影响。在探究柄果系统振动特性时，为了更加明确其模态特性，需要探究重心位置的随机性对于柄果系统固有频率存在多大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于评估重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建方法，本方法通过引入重心偏离率作为参数，能够更全面、准确地评估重心位置对柄果系统固有频率的影响。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于评估重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建方法，包括：

步骤1、选取一定数量的柄果系统样本，测试其各项物理参数的均值，计算果实的密度均值；

步骤2、在二维软件中通过图像描边的方式绘制该果实的半边轮廓，按照步骤1测试得到的各项物理参数的均值，调整果实的半边轮廓的尺寸；

步骤3、将果实的半边轮廓导入至三维软件中，并在三维软件中沿果实中心纵轴线旋转，分别旋转270度和90度进而得到组成果实的两部分实体，将旋转270度得到的一部分实体记为果Ⅰ，旋转90度得到的另一部分实体记为果Ⅱ，将果Ⅰ和果Ⅱ装配到一起，能组成外形结构完全中心对称的果实实体模型，根据步骤1测试得到的各项物理参数的均值绘制果枝实体模型和果柄实体模型；

步骤4、在三维软件中，设置多组果Ⅰ和果Ⅱ的密度参数，设置的条件为0.75*果Ⅰ的密度+0.25*果Ⅱ的密度＝果实的密度均值，其中果实的密度均值由步骤1中计算得到，且恒定不变；获取每组果Ⅰ和果Ⅱ的密度参数下果实的重心位置；基于果实的重心位置计算重心偏离率，得到重心偏离率与果Ⅰ的密度和果Ⅱ的密度的对应关系；

步骤5、果实实体模型、果枝实体模型和果柄实体模型组成柄果系统三维模型，将柄果系统三维模型导入到有限元分析软件中划分网格，柄果系统内果实部分网格、果枝部分网格、果柄部分网格之间采用共节点的方式连接，得到柄果系统网格模型；

步骤6、在有限元分析软件中，根据步骤1测试得到的各项物理参数的均值设定模型的材料参数，约束果枝的位移及转动，并进行有限元模态分析；其中果实的果Ⅰ的密度和果Ⅱ的密度被设为随机参数，通过有限元模态分析得到，果Ⅰ的密度和果Ⅱ的密度与柄果系统固有频率的对应关系；

步骤7、根据重心偏离率与果Ⅰ的密度和果Ⅱ的密度的对应关系，以及果Ⅰ的密度和果Ⅱ的密度与柄果系统固有频率的对应关系，得到重心偏离率与柄果系统固有频率的对应关系。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤1中，各项物理参数包括果枝尺寸、果柄尺寸、果柄质量、果柄弹性模量、果实横径、果实纵径和果实质量；分别计算果枝的密度均值、果柄的密度均值和果实的密度均值。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤2中，在CAD软件中通过图像描边的方式绘制该果实的半边轮廓，按照步骤1测试得到的果实横径的均值和果实纵径的均值，调整果实的半边轮廓的尺寸。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤3中，三维软件为Solidworks软件；根据步骤1测试得到的果枝尺寸的均值绘制果枝实体模型，根据步骤1测试得到的果柄尺寸的均值绘制果柄实体模型。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤4中，基于Solidworks软件的质心评估功能，得到每组果Ⅰ和果Ⅱ的密度参数下果实的重心位置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤4中的基于果实的重心位置计算重心偏离率，具体为：

计算重心位置偏离果实轴心的距离c，将距离c与步骤1得到的果实横径的均值的比值设为重心偏离率。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤5中，有限元分析软件为软件Ansys workbench。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤6中，在有限元分析软件中，果枝与果实被设定为刚体，果柄被设定为弹性体，根据步骤1测试得到的各项物理参数的均值设定模型的材料参数，约束果枝的位移及转动，进行有限元模态分析。

本发明的有益效果为：

1、更准确评估柄果系统固有频率影响：传统的柄果系统固有频率模型没有考虑重心位置的随机性对频率的影响，而本发明通过引入重心偏离率作为参数，能够更全面、准确地评估重心位置对柄果系统固有频率的影响。因此，本发明能够提供更准确的柄果系统固有频率预测和分析结果。

2、深入理解柄果系统振动特性：通过对重心位置的随机性进行考虑，本发明使得对柄果系统的振动特性有了更加清晰的认识。重心位置的偏离会改变系统的惯性矩和刚度，进而影响柄果系统的固有频率。通过本发明提供的模型构建方法，研究人员可以深入了解重心位置与固有频率之间的关系，从而更好地优化振动采收过程。

总之，本发明的技术效果是通过引入重心位置的随机性因素，全面评估了其对柄果系统固有频率的影响。这将有助于深入理解柄果系统的振动特性，并为林果振动采收过程的优化提供科学依据。

附图说明

图1为柄果系统及果实建模划分示意图。

图2为本发明方法的分析流程图。

图3为模型构建过程图。

图4为银杏柄果系统一阶固有频率与重心偏移率的关系图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

本实施例提供一种用于评估重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建方法，下面以银杏作物为例，对上述方法进行具体介绍。

对于研究的林果作物，如银杏作物，选取一定数量的柄果系统样本，测试其各项物理参数的均值，用于模型的构建；各项物理参数包括果枝1外形尺寸、果柄2外形尺寸、果柄2质量与弹性模量、果实3的横径、果实3的纵径、果实3的质量。计算各部分的密度均值，在计算密度时，体积参数由排水法测得。

选择形状外形相对对称的果实样本，在软件CAD中通过图像描边的方式绘制其半边轮廓，根据所测果实3的横径与纵径的均值，调整至合适的大小尺寸，导入到软件Solidworks中沿果实3中心纵轴线旋转，分别旋转270度与90度得到组成果实3的两部分实体，记为果Ⅰ与果Ⅱ(图1)。将果Ⅰ与果Ⅱ装配到一起，组成外形结构完全中心对称的果实实体模型。果枝实体模型与果柄实体模型根据其对应的外形尺寸的均值绘制得到。

在Solidworks中赋予果Ⅰ与果Ⅱ的密度参数，设置多组果Ⅰ与果Ⅱ的密度参数，设定条件为：0.75*果Ⅰ密度+0.25*果Ⅱ密度＝1.08e-3kg·m

果实实体模型、果枝实体模型和果柄实体模型组成柄果系统三维模型，将柄果系统三维模型导入到有限元分析软件Ansys workbench中划分网格，柄果系统各部分网格之间采用共节点的方式连接，得到柄果系统网格模型。

本实施例的模型构建过程如图3所示，三维模型构建中，模型结构外形参数如表1所示；有限元模型中，模型材料参数如表2所示。

表1、模型结构外形参数(mm)：

表2、模型材料参数：

在有限元分析软件中，约束果枝1的位移及转动进行有限元模态分析。考虑到柄果系统受迫振动响应中的变形主要体现在果柄部分。模型中，果枝1与果实3被设定为刚体，果柄2被设定为弹性体。模型的材料参数设定依据为第一步中测试的均值，如表2所示。而组成果实3的果Ⅰ与果Ⅱ两部分的密度参数被设为随机参数，通过有限元模态分析得到，果Ⅰ密度与果Ⅱ密度对于柄果系统固有频率的影响关系。

根据重心偏离率v与果Ⅰ密度、果Ⅱ密度的对应关系，以及果Ⅰ密度、果Ⅱ密度与柄果系统固有频率的对应关系，得到重心偏离率v与柄果系统固有频率的对应关系，实现果实3重心位置对柄果系统固有频率影响的模型构建。本实施例方法的分析流程如图2所示。图4为银杏柄果系统一阶固有频率与重心偏移率的关系，可以发现，银杏果实重心偏离率在8％-26％范围变化时，银杏单种系统的一阶固有频率的变化范围为2.09-2.11Hz。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。