基于ANSYS Workbench的齒梳撥刀式油茶果采摘機撥果及花苞損傷仿真研究

饒洪輝，羅時挺，余佳佳，張立勇，劉木華

(江西農業大學 工學院，江西省現代農業裝備重點實驗室，江西 南昌 330045)

基于ANSYS Workbench的齒梳撥刀式油茶果采摘機撥果及花苞損傷仿真研究

饒洪輝，羅時挺，余佳佳，張立勇，劉木華*

(江西農業大學 工學院，江西省現代農業裝備重點實驗室，江西 南昌 330045)

油茶果機械采摘中花苞損傷已成為行業亟待解決的問題。文章在ANSYS Workbench里建立了撥刀裝置和油茶果及油茶花苞相互作用的三維模型，仿真分析了撥刀裝置與油茶果及油茶花苞的相互作用情況，旨在揭示齒梳撥刀式油茶果機械采摘中花苞損傷機理，獲得采摘中較優的撥刀參數。通過仿真分析，得到油茶果脫落的臨界條件為撥刀初速度5 m·s-1、加速度2 m·s-2，而油茶花苞脫落的臨界條件為撥刀初速度3 m·s-1、加速度2 m·s-2。其次分析在不同初速度和加速度狀態下撥刀裝置對油茶花苞的損傷情況，油茶花苞受撥刀擊打后的最大等效應力和應變隨加速度的增加呈略微減小的趨勢，油茶花苞X方向的最大應變隨加速度的增加呈略微增加的趨勢，Y、Z兩個方向的最大應變隨加速度的增加呈略微減小的趨勢。當撥刀厚度變為原來的1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍時，油茶果脫落的臨界撥刀初速度分別為3.4、2.5、2.0和1.7 m·s-1；油茶果脫落的臨界加速度分別為1.3、1.0、0.8和0.7 m·s-2。仿真結果表明，隨著撥刀厚度增加，油茶果脫落的臨界速度和加速度降低，實用性增強。

油茶果；撥刀；仿真分析；損傷；花苞

一般林果采摘所需勞動力占整個過程的35%～45%左右[1]，且成本居高不下。油茶果采摘具有季節性強和勞動強度大的特點，其勞動力占整個油茶種植用工的40%以上，而勞動力采摘成本占收益的1/3左右，高額的勞動力采摘成本降低了林農的收入。特別是隨著農村勞動力向城鎮轉移，油茶果采摘季節勞動力日益短缺，勢必進一步增加勞動力成本，影響油茶產業的健康發展。因此，油茶果的機械化采摘迫在眉睫。

湖南、江西作為我國油茶種植面積最大的兩省，其高校和科研機構對采摘期油茶果生物力學特性和油茶果采摘機械研究較早[2-7]。中南林業大學高自成等人設計了一種齒梳回轉式油茶果采摘機[8]，先由人操作多自由度機械臂進入油茶樹合適的采摘位置，通過采摘頭的回轉運動實現采果，試驗表明當齒梳式采摘頭上升速度約為0.8 m·s-1，采摘頭回轉速度為15 r·min-1左右時，既可獲得較高的采摘效率，又能將漏摘率問題控制在3.2%以內，同時保證油茶花苞的損傷率控制在3%以內。程學良等[9]建立了兩自由度的曲柄連桿式采摘機，分析了不同夾持高度對采摘機和油茶果樹振動的影響。王朋輝等[10]設計了一種適用于林果采收的擺動式林果采摘頭，并對該采摘頭進行動力學分析和動力選型。張立勇等[11]設計了一種適合園藝化栽培的履帶式油茶果采摘機，并在ADMAS軟件中對機械臂參數化并進行試驗設計和優化仿真。羅時挺等[12]設計了一款齒梳撥刀式油茶果采摘裝置，并對齒梳撥刀撥果原理進行分析，得出了影響撥刀采摘效果的主要因素，并對撥刀前端點的速度和加速度進行了仿真分析。以上油茶果采摘機械實現了對油茶果的采摘，然而對采摘過程中花苞損傷機理還未進行深入研究。由于油茶花苞是油茶樹翌年的果，油茶果機械采摘中花苞損傷會對翌年的產量造成巨大的影響，在油茶果機械采摘過程中要盡可能減少對花苞的損傷。

為了探討油茶果機械采摘中花苞損傷規律，本文擬在ANSYS Workbench建立撥刀裝置和油茶果及油茶花苞相互作用的三維模型，仿真分析齒梳撥刀裝置對油茶果和油茶花苞的作用效果，從而揭示齒梳撥刀式油茶果機械采摘中花苞損傷機理和獲得采摘中較優的撥刀參數。

1 油茶果、油茶花苞與撥刀裝置相互作用三維建模

1.1 模型建立與材料定義

根據油茶果采摘機的結構參數和運動過程，在Workbench中建立撥果的三維結構模型，齒梳、撥刀及齒梳之間的間距根據實際樣機設計定義尺寸，為簡化模型難度，定義果(花)柄枝、油茶果及油茶花苞尺寸近似為圓柱形、球形和橢圓形，通過取樣，游標卡尺測量獲取，具體參數見表1所示。

由于油茶果、花苞與樹枝之間的連接是生物力學連接，所以需特殊定義，仿真當中利用接觸面的形式定義兩者之間的連接，ANSYS Workbench當中提供6種接觸類型[13]，分別為：bonded，no separation，frictionless，rough，frictional和forced frictional sliding。其中frictional為有摩擦的接觸，兩個接觸面之間既可以法向分離，也可以切向滑動，當切向外力大于最大靜摩擦力時，發生切向滑動，一旦發生切向滑動后，會在接觸面之間出現滑動摩擦力。因此frictional接觸方式較為符合花苞、油茶果與花(果)柄枝的連接方式。根據采摘期油茶果、花苞與樹枝之間結合力和常用材料間摩擦系數值，定義花苞、油茶果與花(果)柄枝間的摩擦系數分別為0.2和0.3。具體建模如圖1所示。

表1樣品參數

Table1Parameters of sample

樣品Sample直徑Diameter/mm質量Weight/g體積Volumn/cm3密度Density/(g·cm-3)油茶果Fruit31349704101720954油茶花苞Bud1447/1006?048960523308822果(花)柄枝1933020610336706158Branch

*處油茶花苞的直徑結果為長徑/短徑。

The diameter value of the bud before the * sign was showed as major diameter/miner diameter.

由于油茶果、油茶花苞和果(花)柄枝不是常規材料，無法直接從ANSYS Workbench的材料庫中獲取，需進行實驗；采摘若干油茶果、油茶花苞和果(花)柄枝，用精密平衡儀測質量，排水法測體積，兩者相除得到密度，取平均值。油茶果、油茶花苞和油茶果(花)柄枝的彈性模量采用TMS-PRO食品物性分析儀分別測量3次，測試速度5 mm·min-1，得到位移-載荷曲線，由測試樣品的面積和相關公式計算其彈性模量，取3次測量的平均值，具體如表2所示。

1.2 網格劃分和約束加載

網格劃分是有限元分析的重要步驟，網格質量將會影響采摘機的仿真結果。ANSYS Workbench網格共有六種劃分方法[14]：四面體劃分、掃掠劃分、自動劃分、多區劃分、混合劃分和CFX-網格劃分。綜合考慮計算精度和耗時，不同元件進行不同單元尺寸劃分，其中花苞和油茶果的單元尺寸為0.001 mm，撥刀單元尺寸為0.001 mm，齒梳單元尺寸為0.005 mm，果(花)柄枝單元尺寸為0.002 mm，如圖5所示。根據采摘頭的運動分析，定義撥刀為剛性結構，花苞為柔性結構，在撥刀施加初速度和加速度，約束施加在樹枝兩個端面上。

a， 油茶果; b， 油茶花苞a， Camellia fruit; b， Camellia bud圖1 油茶果、油茶花苞及撥刀裝置相互作用模型Fig.1 Interaction model between dial knife device and Camellia fruit and bud

表2模型材料密度和彈性模量

Table2Density and elastic modulus of model material

樣品Sample密度Density/(g·cm-3)彈性模量Elasticmodulus/MPa油茶果Fruit095404984花苞Bud088222492果(花)柄枝Branch0615810撥刀和齒梳Cutterandcomb78500250000

2 撥刀裝置與油茶果、油茶花苞相互作用仿真

2.1 油茶果與油茶花苞臨界脫落條件求解

在前期模型的基礎上，設定求解條件，在ANSYS Workbench計算求解。以撥刀初速度和加速度(加載力)兩個評價指標作為參考，以油茶果和油茶花苞受撥刀不同初速度和加速度作用下的脫落狀態來衡量仿真效果，得到撥刀裝置擊打油茶果和花苞的總變形、等效應力和等效應變。

圖3和圖4為油茶果臨界脫落的兩種狀態，其對應撥刀速度和加速度分別為5 m·s-1、2 m·s-2和6 m·s-1、3 m·s-2。圖5油茶花苞臨界脫落狀態，其對應的撥刀初速度和加速度分別為3 m·s-1、2 m·s-2。由于油茶花苞的損傷在油茶果被采摘脫落的前提下分析才有實際意義，為獲得油茶花苞在撥刀作用下的碰撞損傷情況，分析了在撥刀初速度和加速度分別為6 m·s-1、3 m·s-2時對油茶花苞的碰撞損傷情況，見圖6。

a，油茶果；b，油茶花苞a， Camellia fruit; b， Camellia bud圖2 油茶果、油茶花苞及拔刀裝置相互作用網格模型Fig.2 Grid division interaction model between dial knife device and Camellia fruit and bud

2.2 油茶果與油茶花苞受撥刀作用臨近臨界脫落條件規律

為了尋找介于油茶果、油茶花苞在撥刀作用下臨界脫落參數前后的變化規律，分別對臨近油茶果、油茶花苞臨界脫落參數時的情況進行仿真分析。選擇撥刀初速度和加速度為4.5 m·s-1、2 m·s-2分析臨近油茶果臨界脫落時的作用效果，得到其等效應力和應變，見圖7。選擇撥刀初速度和加速度為2.5 m·s-1、2 m·s-2分析臨近油茶花苞臨界脫落時的作用效果，得到其等效應力和應變，見圖8。

a，總變形； b， 等效應力；c， 等效應變。油茶果最大變形為2.852 mm；油茶果最大應力為0.172 96 MPa；油茶果最大應變為0.016 946a，Total deflection; b，Equivalent effective stress; c， Equivalent effective strain. The maximum deformation of Camellia fruit was 2.852 mm; The maximum stress of Camellia fruit was 0.172 96 MPa; The maximum strain of Camellia fruit was 0.016 946圖3 撥刀速度和加速度分別為5 m·s-1和2 m·s-2時油茶果脫落臨界點效果圖Fig.3 Critical falling off point of Camellia fruit under velocity and acceleration of dial knife of 5 m·s-1 and 2 m·s-2

a，總變形；b， 等效應力； c， 等效應變。油茶果最大變形為5.125 2 mm；油茶果應力最大值為0.177 97 MPa；油茶果最大應變為0.057 208a， Total deflection；b， Equivalent effective stress；c， Equivalent effective strain.The maximum deformation of Camellia fruit was 5.125 2 mm; The maximum stress of Camellia fruit was 0.177 97 MPa; The maximum strain of Camellia fruit was 0.057 208圖4 撥刀速度和加速度分別為6 m·s-1和3 m·s-2時油茶果脫落臨界點效果圖Fig.4 Critical falling off point of Camellia fruit under velocity and acceleration of dial knife of 6 m·s-1 and 3 m·s-2

a，總變形； b， 等效應力； c， 等效應變。油茶花苞最大變形為1.324 9 mm；油茶花苞最大應力為0.850 09 MPa；油茶花苞最大應變為0.020 679a，Total deflection；b，Equivalent effective stress；c， Equivalent effective strain. The maximum deformation of Camellia bud was 1.324 9 mm; The maximum stress of Camellia bud was 0.850 09 MPa; The maximum strain of Camellia bud was 0.020 679圖5 撥刀速度和加速度分別為3 m·s-1和2 m·s-2時油茶花苞脫落臨界點效果圖Fig.5 Critical falling off point of Camellia bud under velocity and acceleration of dial knife of 3 m·s-1 and 2 m·s-2

a.總變形； b. 等效應力； c. 等效應變。油茶花苞最大應變為0.179 09; 油茶花苞最大變形為13.046 mm；油茶花苞最大應力為0.240 23 MPaa.Total deflection；b. Equivalent effective stress；c. Equivalent effective strain. The maximum deformation of Camellia bud was 13.046 mm; The maximum stress of Camellia bud was 0.240 23 MPa; The maximum strain of Camellia bud was 0.179 09圖6 撥刀速度和加速度分別為6 m·s-1和3 m·s-2時油茶花苞脫落臨界點效果圖Fig.6 Critical falling off point of Camellia bud under velocity and acceleration of dial knife of 6 m·s-1 and 3 m·s-2

2.3 油茶花苞受撥刀裝置作用損傷規律

為揭示齒梳撥刀式油茶果機械采摘花苞損傷機理，選擇撥刀初速度為3 m·s-1，加速度為0.5、1.0、1.5、2.0 m·s-24種不同狀態下擊打油茶花苞，得到其仿真后的應力和應變規律，并分別求解油茶花苞在X、Y、Z三個方向的應變情況，得到對應的應變效果圖及規律，結果見圖9、10。

3.4 仿真結果分析

從圖3至圖10可以得出：

a，等效應力； b，等效應變。應力最大值為0.107 83 MPa；最大應變0.008 91a，Equivalent effective stress；b，Equivalent effective strain. The maximum stress was 0.107 83 MPa; The maximum strain was 0.008 91圖7 撥刀初速度和加速度分別為4.5 m·s-1和2 m·s-2時油茶果的等效應力和等效應變圖Fig.7 Equivalent strain and stress of Camellia fruit under velocity and acceleration of dial knife of 4.5 m·s-1 and 2m·s-2

a，等效應力； b，等效應變。 最大應力值0.509 3 Mpa；最大應力變形0.007 819 5a，Equivalent effective stress；b，Equivalent effective strain. The maximum stress was 0.509 3 MPa; The maximum strain was 0.007 819 5圖8 撥刀初速度和加速度分別為2.5 m·s-1和2 m·s-2時油茶花苞的等效應力和等效應變圖Fig.8 Equivalent strain and stress of Camellia bud under velocity and acceleration of dial knife of 2.5 m·s-1 and 2m·s-2

圖9 油茶花苞在不同撥刀加速度下的最大等效應力和最大等效應變圖Fig.9 Maximum equivalent stress and maximum equivalent strain of Camellia bud under the condition of different acceleration of dial knife

圖10 油茶花苞在不同撥刀加速度下的X、Y、Z方向最大等效應變圖Fig.10 Maximum equivalent strain of Camellia bud under the condition of different acceleration of dial knife in X， Y， Z direction

1)花苞和油茶果的變形量主要集中于下半部分，且從下半部分到上半部分形變量逐漸減小，其原因是由于油茶果和花苞上部受樹枝約束，而下部都處于無約束狀態，所以變形主要產生區域以下半部分為主。

2)花苞和油茶果應變主要集中于與撥刀接觸的中心區域，主要是撥刀沖擊力對該區域造成相對變形最大。

3)花苞和油茶果的最大應力變形區也主要集中于與撥刀接觸的中心區域，產生原因在于中心區域與撥刀最先接觸，所承受的沖擊最大，導致該區域應力集中。

4)隨著撥刀初速度和加速度的增加，油茶果受撥刀擊打后的最大等效應力增加，等效應變增加，總變形也增加；在撥刀相同加速度，不同初速度狀態下，油茶果受撥刀擊打后的最大等效應力和等效應變增加。

5)隨著撥刀初速度和加速度的增加，油茶花苞受撥刀擊打后的最大等效應力增加，等效應變增加，總變形也增加；在撥刀相同加速度，不同初速度狀態下，油茶花苞受撥刀擊打后的最大等效應力和應變增加。

6)在相同撥刀初速度3 m·s-1，不同撥刀加速度狀態下，油茶花苞受撥刀擊打后的最大等效應力和應變隨加速度的增加呈略微減小的趨勢，油茶花苞X方向的最大應變隨加速度的增加呈略微增加的趨勢，Y、Z兩個方向的最大應變隨加速度的增加呈略微減小的趨勢。

3 撥刀裝置仿真優化

3.1 樣機試驗

采摘機研制后在江西農業大學樹木標本園內油茶果樹進行了試驗，結果表明，在采摘過程中，對花苞造成損傷較少，初步驗證齒梳撥刀式油茶果采摘機的有效性。但同時裝置存在一定問題，如齒梳撥刀式油茶果采摘裝置在采果時，由于撥刀撥果位置不一定在油茶果中部，而且撥刀較薄，油茶果韌性好有時會滑過撥刀導致撥果失敗。另外撥落果實所需要的撥刀初速度和加速度較大，與前面仿真結果一致，但由于操縱撥刀的牽拉絲有效行程短，人手操作要達到較高的撥刀初速度和加速度有困難。因而需要對撥刀裝置進一步優化。

3.2 仿真優化

針對試驗中存在的問題，對撥刀厚度進行優化，以降低油茶果脫落時撥刀所需的初速度和加速度。將撥刀厚度變為原來1.5、2.0、2.5和3.0倍，建立相應模型，再次進行仿真分析，圖11、12、13和14分別為撥刀裝置加厚后對油茶果和油茶花苞作用效果。其中油茶花苞受優化厚度后的撥刀作用下的應力應變規律曲線見圖15所示。

由圖11至圖15可以看出，油茶花苞所受的應力和應變隨著撥刀厚度的增加而逐漸減小；油茶果脫落的撥刀臨界初速度和加速度大大降低。考慮到油茶花苞的損傷只有在油茶果脫落的情況下才有實際意義，將優化撥刀厚度后的油茶果脫落臨界條件應用于油茶花苞，油茶花苞在同樣厚度撥刀初速度和加速度也將脫落。

a， 油茶果Camellia fruit；b， 油茶花苞Camellia bud圖11 初速度3.4 m·s-1、加速度1.3 m·s-2時1.5倍撥刀厚度下對油茶果和油茶花苞作用效果Fig.11 Effects between 1.5 times thickness of dial knife and Camellia fruit and bud under velocity and acceleration of dial knife of 3.4 m·s-1 and 1.3 m·s-2

a，油茶果Camellia fruit； b，油茶花苞Camellia bud圖12 初速度2.5 m·s-1、加速度1 m·s-2時2.0倍撥刀厚度下對油茶果和油茶花苞作用效果Fig.12 Effects between 2.0 times thickness of dial knife and Camellia fruit and bud under velocity and acceleration of dial knife of 2.5 m·s-1 and 1 m·s-2

a，油茶果Camellia fruit；b，油茶花苞Camellia bud圖13 初速度2 m·s-1、加速度0.8 m·s-2時2.5倍撥刀厚度下對油茶果和油茶花苞作用效果Fig.13 Effects between 2.5 times thickness of dial knife and Camellia fruit and bud under velocity and acceleration of dial knife of 2 m·s-1 and 0.8 m·s-2

a，油茶果Camellia fruit；b， 油茶花苞Camellia bud圖14 初速度1.7 m·s-1、加速度0.7 m·s-2時3.0倍撥刀厚度下對油茶果和油茶花苞作用效果Fig.14 Effects between 3.0 times thickness of dial knife and Camellia fruit and bud under velocity and acceleration of dial knife of 1.7 m·s-1 and 0.7 m·s-2

圖15 油茶花苞在不同撥刀厚度下的最大等效應力和最大等效應變圖Fig.15 Maximum equivalent stress and maximum equivalent strain of Camellia bud under the condition of different thickness of dial knife

4 結論

1)在ANSYS Workbench建立了撥刀裝置與油茶果、油茶花苞相互作用的三維模型。

2)分析了不同撥刀初速度和加速度的仿真，得到了油茶果和油茶花苞脫落的臨界條件，可為油茶果機械采摘和采摘中花苞損傷提供理論參考。

3)分析了撥刀在相同初速度，不同加速度情況下油茶花苞受撥刀裝置作用的應力應變規律，揭示了齒梳撥刀式油茶果采摘機采果時花苞損傷機理。

4)通過優化撥刀厚度方案，可較大程度地減小油茶果脫落時撥刀初速度和加速度，進一步增強采摘機的實用性。

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StudyonsimulationanalysisofCamelliafruitpickinganditsbuddamagewithtoothcombdialknifemachinebasedonANSYSWorkbench

RAO Honghui， LUO Shiting， YU Jiajia， ZHANG Liyong， LIU Muhua*

(CollegeofEngineering，JiangxiAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipment，JiangxiProvince，Nanchang330045，China)

Camelliabud damage in the process of harvest byCamelliafruit picking machine is the most urgent problem. In order to reveal the theory of bud damage in mechanical picking ofCamelliaand to obtain the better picking parameters of dial knife， the effect between the tooth combing device and theCamelliaandCamelliabud was analyzed. Firstly， the 3D model between tooth comb dial knife andCamelliafruit and bud were established in the ANSYS Workbench， the interaction between the dial knife device andCamelliaandCamelliabud was simulated， simulation results showed that the critical initial velocity and the acceleration of the Camellia fruit peeling off were 5 m·s-1and 2 m·s-2respectively， and the critical initial velocity and the acceleration ofCamelliabud dropping were 3 m·s-1and 2 m·s-2， respectively. Secondly， the damage ofCamelliabud was analyzed by the dial knife device at different initial velocity and acceleration， the maximum equivalent stress and strain ofCamelliabud was slightly decreased with the increase of acceleration， the maximum strain in the X-direction ofCamelliabud was slightly increased with the increase of acceleration， and the maximum strain in the two directions of Y and Z was slightly decreased with the increase of acceleration. As the dial knife thickness became 1.5 times， 2.0 times， 2.5 times and 3.0 times， the critical initial velocity of the dial knife to peeling offCamelliafruit were 3.4， 2.5， 2.0 and 1.7 m·s-1， respectively， and the critical acceleration of peeling offCamelliafruit were 1.3， 1.0， 0.8 and 0.7 m·s-2， respectively. The simulation results showed that with the increase thickness of the dial knife， the dial knife critical initial velocity and acceleration will be reduced， which can enhance the practicability of this machine.

Camelliafruit; dial knife; simulation analysis; damage; bud

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2134-2141

http://www.zjnyxb.cn

饒洪輝，羅時挺，余佳佳，等. 基于ANSYS Workbench的齒梳撥刀式油茶果采摘機撥果及花苞損傷仿真研究[J].浙江農業學報，2017，29(12)： 2134-2141.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.24

2017-06-05

國家自然科學基金(51305180)；江西省科技計劃(20141BBF60057)

饒洪輝(1978—)，男，江西豐城人，博士，副教授，研究方向為現代農業機械裝備。E-mail: rhh58@sohu.com

*通信作者，劉木華，E-mail: suikelmh@sohu.com

S776

A

1004-1524(2017)12-2134-08

(責任編輯張 韻)