基于ANSYS的果树模态分析

2021-05-07翟彦飞

南方农机 2021年8期

翟彦飞

（雅安职业技术学院，四川雅安 625000）

振动采收机械的研发与果树的生长特性和机械振动的工作参数等多种因素有关，研究果树动力学特性有利于对采收机械进行合理设计及优化，动力学试验和仿真分析是研究动力学特性的有效方式。Wang D等[1]提出了一种与激振器类型有关的树形动力响应研究的有限元建模方法。首先，建立了往复激振器、轨道激振器和多向激振器3种激振器的数学模型，并进一步分析了这些激振器的基本工作原理。根据振动模型的特点，分析了所建立的振动模型的基本原理。S Castro-García等[2]采用模态试验技术，对17棵在果园中生长的橄榄树进行了动态分析。

1 果树有限元模型创建

在Solidworks软件中创建果树三维模型，选择Solidworks软件进行三维模型创建是因为本款软件有很好的曲面建模功能，而且输出的文件格式可以与ANSYS软件进行数据文件交换，方便后期的有限元分析。为了后期的对比研究，分别创建了无果和有果两种果树三维模型，创建的三维模型如图1所示。果树的尺寸和形状按照一般果树的实际尺寸进行建模，果树尺寸选择按照果树高度的平均值取2米，树型选择最常见的Y型树型[3]。

图1 果树三维模型

在ANSYS软件中MeshTool模块中进行网格划分，本文选择Shape为Tri（三角形），网格划分方式采用Free（自由网格划分），为了改善划分网格质量选择了壳体单元shell281[4]。

图2 果树有限元模型

仿真时所需材料力学参数如表1所示，约束的添加，树的最底部为固定约束，其他地方均不设置位移约束。外部激励载荷施加在树干上，方向为水平[5-6]。

表1 材料力学参数

2 结果分析

无果的前12阶振型云图如图3所示，由图3可知，前12阶中最大振幅均出现在树的枝干上，主干在第5、6和9阶时出现在最顶端，不同阶数时摆动的大小值不同，且最大幅值的位置也不同，第1、2阶最大振幅出现在较高枝头。随着阶数的递增，最大振幅出现的树枝高低也不同，规律是：前几阶最大振幅在高处树枝末端，最大振幅逐渐向低处树枝末端移。

为了对比研究果树上有果实的阵型情况，同时也进行了有果实的有限元分析。为了提高网格绘制和仿真的效率，把果树上的果实删除一些，只留下其中的一个果实进行仿真。由图4可知，有果实后，最大振幅有5阶是出现在果实上。在前12阶振型中，第1、2、4、9和11阶最大振幅均出现在果实上，其余的最大振幅还是出现在树枝末端。

通过图3和图4前12阶振型云图中可以得出，不同的阶数的最大振幅不同，且并不是所有的阶数的最大振幅出现在果实上。在以后进行采摘的时候，按照不同的需求可以应用不同的频率值。

为了更加直观的对比果树上无果和有果的前12阶固有频率值，绘制了固有频率曲线图，具体如图5所示。由图可知，随着阶数的增大，（无果）、（有果）两种情况的固有频率值呈现递增趋势，前6阶增长趋势较为平缓，7～12阶增长曲率较大。无果的固有频率值总体高于有果固有频率，这是因为水果把儿强度较低，在外部激励的作用下，振动的频率值将降低。