基于ANSYS的果樹模態(tài)分析

翟彥飛

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000）

振動采收機械的研發(fā)與果樹的生長特性和機械振動的工作參數(shù)等多種因素有關(guān)，研究果樹動力學(xué)特性有利于對采收機械進(jìn)行合理設(shè)計及優(yōu)化，動力學(xué)試驗和仿真分析是研究動力學(xué)特性的有效方式。Wang D等[1]提出了一種與激振器類型有關(guān)的樹形動力響應(yīng)研究的有限元建模方法。首先，建立了往復(fù)激振器、軌道激振器和多向激振器3種激振器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步分析了這些激振器的基本工作原理。根據(jù)振動模型的特點，分析了所建立的振動模型的基本原理。S Castro-García等[2]采用模態(tài)試驗技術(shù)，對17棵在果園中生長的橄欖樹進(jìn)行了動態(tài)分析。

1 果樹有限元模型創(chuàng)建

在Solidworks軟件中創(chuàng)建果樹三維模型，選擇Solidworks軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)建是因為本款軟件有很好的曲面建模功能，而且輸出的文件格式可以與ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)文件交換，方便后期的有限元分析。為了后期的對比研究，分別創(chuàng)建了無果和有果兩種果樹三維模型，創(chuàng)建的三維模型如圖1所示。果樹的尺寸和形狀按照一般果樹的實際尺寸進(jìn)行建模，果樹尺寸選擇按照果樹高度的平均值取2米，樹型選擇最常見的Y型樹型[3]。

圖1 果樹三維模型

在ANSYS軟件中MeshTool模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文選擇Shape為Tri（三角形），網(wǎng)格劃分方式采用Free（自由網(wǎng)格劃分），為了改善劃分網(wǎng)格質(zhì)量選擇了殼體單元shell281[4]。

圖2 果樹有限元模型

仿真時所需材料力學(xué)參數(shù)如表1所示，約束的添加，樹的最底部為固定約束，其他地方均不設(shè)置位移約束。外部激勵載荷施加在樹干上，方向為水平[5-6]。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果分析

無果的前12階振型云圖如圖3所示，由圖3可知，前12階中最大振幅均出現(xiàn)在樹的枝干上，主干在第5、6和9階時出現(xiàn)在最頂端，不同階數(shù)時擺動的大小值不同，且最大幅值的位置也不同，第1、2階最大振幅出現(xiàn)在較高枝頭。隨著階數(shù)的遞增，最大振幅出現(xiàn)的樹枝高低也不同，規(guī)律是：前幾階最大振幅在高處樹枝末端，最大振幅逐漸向低處樹枝末端移。

為了對比研究果樹上有果實的陣型情況，同時也進(jìn)行了有果實的有限元分析。為了提高網(wǎng)格繪制和仿真的效率，把果樹上的果實刪除一些，只留下其中的一個果實進(jìn)行仿真。由圖4可知，有果實后，最大振幅有5階是出現(xiàn)在果實上。在前12階振型中，第1、2、4、9和11階最大振幅均出現(xiàn)在果實上，其余的最大振幅還是出現(xiàn)在樹枝末端。

通過圖3和圖4前12階振型云圖中可以得出，不同的階數(shù)的最大振幅不同，且并不是所有的階數(shù)的最大振幅出現(xiàn)在果實上。在以后進(jìn)行采摘的時候，按照不同的需求可以應(yīng)用不同的頻率值。

為了更加直觀的對比果樹上無果和有果的前12階固有頻率值，繪制了固有頻率曲線圖，具體如圖5所示。由圖可知，隨著階數(shù)的增大，（無果）、（有果）兩種情況的固有頻率值呈現(xiàn)遞增趨勢，前6階增長趨勢較為平緩，7～12階增長曲率較大。無果的固有頻率值總體高于有果固有頻率，這是因為水果把兒強度較低，在外部激勵的作用下，振動的頻率值將降低。

圖3 果樹（無果）前12階振型云圖

圖4 果樹（有果）前12階振型云圖

圖5 固有頻率值曲線圖

3 結(jié)語

通過三維模型創(chuàng)建，有限元仿真分析獲得了兩種情況下前12階振型云圖和固有頻率曲線圖。不同階數(shù)時最大振幅出現(xiàn)位置不同，在設(shè)計機械采摘裝置時可以根據(jù)不同需求進(jìn)行頻率值的選擇，本文可以為機械采摘裝置設(shè)計提供理論支撐，有一定的實用價值。