枸杞植株的动力学特性研究.doc

枸杞植株的动力学特性研究何苗 坎杂 李成松 王丽红 杨兰涛 陈兴华石河子大学机械电气工程学院摘要：为进行振动式枸杞采收装置的研发，需寻求枸杞植株动力学特性通过出间调研 获得枸杞植株基本参数和树形结构，利用Sol i d Works软件进行植株的三维模型 的简化和建立，并利用ANSYS Workbench对植株进行了模态分析和谐响应分析， 由模态分析获得植株前10阶固有频率由谐响应分析可知：当激振频率为23Hz 时植株能获得最大加速度响应;提取激振不同位置时各关键点的最大加速度值并 进行曲线拟合，获得枸杞植株一侧枝条的动态传递规律模型，通过输入关键点 代号，确定施加力的大小，选取对应激振条件，即可得到该关键点在激振条件 下的最大加速度关键词：枸杞;动力学特性;谐响应分析;作者简介：何苗（1993-），女，重庆巫山人，硕士研究生，（E-nia订） hm_8311@163. com作者简介：坎杂（1963-）,男，新疆精河人，教授，博士生导师，（E-mail） kz-shz@163. com收稿日期：2017-05-11基金：国家自然科学基金项目（51541509）Study on the Dynamic Characteristics of Lycium Barbarum PlantHe Miao Kan la Li Chengsong Wang Lihong YangLantao Chen XinghuaCollege of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University;Abstract：In order to study the vibration lycium barbarum harvesting mechanism, lycium barbaru plant dynamics characteristics need to be explored. Basic parameters and tree structure of lycium barbarum plant were obtained through field investigation. Using Sol id Works to simplify and estab 1 ish thrce-dimcnsional model of plant. Modal and harmonious responsc of plant were analyzed by ANSYS Workbench. First 10 natural frequencies of plant were obtained by modal analysis. Harmonic response analysis shows that when excitation frequency is 23 Hz, plant can obtain the maximum acceleration response; curve it to fit what maximum acceleration value of each key point under diffcrcnt cxcitation conditions, then formula of dynamic transmission of lycium barbarum was obtained. The results can provide a reference for studying the vibration harvesting mechanism of lycium barbarum.Keyword：lycium barbonim; dyneimic choractcristics; honnonic rcsponsc analysis;Received： 2017-05-110引言枸杞(Lycium Barbarum)是茄科枸杞属多分枝灌木，果实富含类胡萝卜素、多 糖、磷及锌等营养成分，其维生素C、亚油酸的含量远高于普通果蔬m,具有 增强免疫力、抗氧化等多方而的药理作用②。

随着枸杞在我国种植而积的逐年 增加，采摘问题已经成为限制枸杞产业发展的瓶颈[3-4] o枸杞采收主要以人工为主垃1，存在劳动强度大、效率低等问题鸟1国内外学者 对枸杞机械化采收进行了研究[7-10],但技术成熟的枸杞采收装置未见大面积 使用冃前，振动采收方式是采收装置的主要研究方向I1U，因此对植株动力学 特性研究是研制振动式采收装置的基础张最等人建立了枸杞挂果枝条的振动力学理论模型，并进行了仿真分析[12] ;Xiuying Tang等人通过枸杞植株的基木参数建立了植株模型，进行了动力 学分析，利用应力大小分析了最佳激振作用力曲；贺磊盈对核桃果树进行动力 学仿真，分析了不同激振情况下果树的加速度响应11型本文利用ANSYS软件对 枸杞植株主枝进行动力学仿真，获取了植株的动态传递规律1植株有限元模型建立1.1植株三维模型建立为建立枸杞植株的三维模型，测量了植株的基本物理参数测量吋间为2016年 7月11 口，测量地点是新疆生产建设兵团第七师一二四团一连，枸杞品种为精 杞一号，5年生植株，采取抽样的方法选取50株枸杞植株作为样本采用游标 卡尺测量植株各级枝直径，卷尺测量植株株距、株高、冠幅及各级枝长度。

对枸杞植株的空间分布情况进行观察，获得枸杞植株主枝的基木结构，如图1 所示枸杞主枝主要分为主干、一级枝、二级枝、三级枝，此外三级枝上分布着 许多结果枝，结果枝较为纤细和繁多，为便于分析，本文仅对枸杞植株主枝进 行研究图1枸杞植株主枝示意图 下载原图1・主枝2. 一级枝3.二级枝4.三级枝对50株枸杞的基本物理参数进行统计分析，得到50组数据的平均值和标准差, 如表1所示表1枸杞植株基本参数下载原表类型 平均值株距1 027株高1 732冠长1578冠宽1 593主枝长度304主枝直径46一级枝长度404—级枝直径29二级枝长度346二级枝直径20三级枝长度498利用Solid Works建立枸杞植株主枝的三维模型，为便于植株的有限元分析，本 文对植株枝干进行简化，主枝简化成表面光滑、具有一定肓径和曲率的圆柱杆 枸杞植株的三维模型如图2所示图2枸杞植株主枝三维模型 下载原图 1. 2植株的有限元模型将枸杞植株三维模型从Solid Works导入关联软件ANSYS Workbench中按表2 中枸杞树的基木物理参数设定材料的属性，对枸杞植株进行网格划分，网格模 型由47 221个节点和22 608个单元体组成。

表2材料属性 下载原表密度弹性模量/kg • m3/Pa4006.658E +92模态分析为分析枸杞植株的固有频率和振型，进行了植株的模态分析通常将植株的根部 固定在土壤中[15],模态分析时，对植株主干底部添加固定约束由于植株在高 频振动下容易造成损伤，并且一般振动机构的振动频率难以超过30Hz[14],所 以在（0, 30） Hz频率范围内进行了模态分析枸杞植株模态分析中的前10阶 固有频率，如表3所示，获得振型图如图3所示表3植株的I占I有频率下载原表1234519.85520.23020.40820.83622.7896789100.0000.600 (m)A: ModalTotal Deformation 1 Type: Total Deformation Frequency: 19.855 Hz Unit: m2017/4/24 10:145.3371 Max4.7444.1513.5582.9652.3721.7791.1860.593010 Min0.300(a)第1阶模态Total Deformation 5A: ModalTotal Deformation 5 lype: I otal Deformation Frpniipnr*f 97.7RQ图3模态振型图 下载原图0.0000.600 (rA: ModalTotal Deformation 7Type; Total Deformation Frequency: 25.079 Hz Unit: m2017/4/24 10:192.2889 Max2.03451.78021.52591.27161.01730.762950.508640.254320 Min0.300(c)第7阶模态Total Deformation 10A: ModalTotal Deformation 10 Type: Total Deformation Frequency: 26.933 Hz图3模态振型图 下载原图 枸杞植株主枝的前10阶固有频率范围为19. 855~26・933Hz,当施加力的振动频 率越接近固有频率时，对应植株的响应幅值越大。

分析振型图可知:第1阶到第 4阶模态都表现为部分三级枝振动，能产生较大的响应幅值;第5阶到第8阶表 现为全部三级枝的振动，响应幅值相对较小;第9阶和第10阶表现为部分三级枝 的振动所以，为实现全部三级枝的振动，施加力的激振频率应该接近第5阶到 第8阶的固有频率3谐响应分析综合考虑了各种谐响应分析方法，选择了模态叠加法进行枸杞植株的谐响应分 析为研究枸杞植株的能量传递规律，选取植株一侧枝条作为分析如图4所示: 在一侧枝条上选取10个关键点，标记为数字P10,并选取关键点1、3、6、9 分别作为对主干、一级枝、二级枝、三级枝的力施加点设定X、Y方向与主干 垂直，Z方向与主干平行因为Z方向与主干平行，对植株施加该方向的力容易 造成植株根系的破坏，影响植株的自然生长，所以施加的力方向只需与Z方向 垂直即可分别对主干、一级枝、二级枝、三级枝施加X方向20N的力，获得不 同激振位置下各关键点X方向和Y方向的加速度响应H100.000 0400 (m)0.200图4关键点选取下载原图图5和图6分别为激振三级枝时关键点10的X方向和Y方向的加速度响应图，其 加速度幅值仅在固有频率范围内有较大波动，并产生一个最大加速度值。

关键点 加速度响应在XY平面上会牛成一个合加速度A合，即一一合A2.83e+3587 -•122 -25.3 -■5.26 -1. ()9 -().277 -4. 72e-2 -9. Be-3 J0・；o8.z1 ,n#/ "频21±图5激振三级枝时关键点10 X方向加速度响应 下载原图。