基于ANSYS的果樹模態分析

翟彥飛

（雅安職業技術學院，四川 雅安 625000）

振動采收機械的研發與果樹的生長特性和機械振動的工作參數等多種因素有關，研究果樹動力學特性有利于對采收機械進行合理設計及優化，動力學試驗和仿真分析是研究動力學特性的有效方式。Wang D等[1]提出了一種與激振器類型有關的樹形動力響應研究的有限元建模方法。首先，建立了往復激振器、軌道激振器和多向激振器3種激振器的數學模型，并進一步分析了這些激振器的基本工作原理。根據振動模型的特點，分析了所建立的振動模型的基本原理。S Castro-García等[2]采用模態試驗技術，對17棵在果園中生長的橄欖樹進行了動態分析。

1 果樹有限元模型創建

在Solidworks軟件中創建果樹三維模型，選擇Solidworks軟件進行三維模型創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軟件進行數據文件交換，方便后期的有限元分析。為了后期的對比研究，分別創建了無果和有果兩種果樹三維模型，創建的三維模型如圖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模塊中進行網格劃分，本文選擇Shape為Tri（三角形），網格劃分方式采用Free（自由網格劃分），為了改善劃分網格質量選擇了殼體單元shell281[4]。

圖2 果樹有限元模型

仿真時所需材料力學參數如表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 材料力學參數

2 結果分析

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在樹的枝干上，主干在第5、6和9階時出現在最頂端，不同階數時擺動的大小值不同，且最大幅值的位置也不同，第1、2階最大振幅出現在較高枝頭。隨著階數的遞增，最大振幅出現的樹枝高低也不同，規律是：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，同時也進行了有果實的有限元分析。為了提高網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行仿真。由圖4可知，有果實后，最大振幅有5階是出現在果實上。在前12階振型中，第1、2、4、9和11階最大振幅均出現在果實上，其余的最大振幅還是出現在樹枝末端。

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

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，隨著階數的增大，（無果）、（有果）兩種情況的固有頻率值呈現遞增趨勢，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 結語

通過三維模型創建，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。不同階數時最大振幅出現位置不同，在設計機械采摘裝置時可以根據不同需求進行頻率值的選擇，本文可以為機械采摘裝置設計提供理論支撐，有一定的實用價值。