蓝莓植株多自由度系统振动建模及仿真研究

摘要

蓝莓由于其卓越的保健与药用价值近来备受推崇，被美国农业专家预测为21世纪最具发展潜力的果树树种，其营养价值远高于苹果、葡萄、橘子等水果，被称为“世界水果之王”，被联合国粮农组织(FAO)确定为人类21世纪健康食品。栽培蓝莓的经济效益十分显著，扩大种植面积是一种必然趋势，但由于我国完全依靠人工采摘，而且蓝莓成熟期短，采摘劳动强度大、效率低，常因无法及时收获造成浪费，蓝莓种植规模和种植面积亦受到限制。发展蓝莓机械采摘，成为我国蓝莓产业的迫切需求和必然趋势。
　　为研制蓝莓采摘机械，需要计算采摘激振力，研究产生采摘激振力的采摘装置以及采摘装置作用下的植株振动规律，探索并完善蓝莓采摘振动理论。首先分析蓝莓植株生长规律和修剪后蓝莓植株生长结构，以此为基础建立蓝莓植株物理模型，在绝对坐标系和各分支坐标系下建立蓝莓植株数学模型。
　　以蓝莓植株数学模型为基础，采用线性多自由度振动理论建立蓝莓植株多自由度振动模型，寻求合适的本征函数求解多自由度系统振动模型各阶固有频率对应的主振型，通过对振动模型正交变换、正则变换，利用杜哈梅积分求解得到点作用阶跃激振力和点作用非周期激振力作用下的蓝莓植株多自由度振动模型各阶固有频率对应的正则模态响应积分式，完成对蓝莓植株多自由度振动模型的解算。
　　分析不同类型激振力作用下的蓝莓植株振动形态，对振动形态分类并分别建立振动方程，利用蓝莓植株振动正则模态响应积分式求解振动方程，得到蓝莓植株各级分枝振动输出响应，为求解蓝莓果实采摘振动力奠定基础。
　　根据点作用瞬态激振力和点作用周期激振力作用于蓝莓植株时蓝莓果实的振动形态，利用各分枝坐标转换矩阵和蓝莓植株各级分枝振动响应求解长有蓝莓果实的末枝相对于地面的振动输出响应;利用拉格朗日方程建立蓝莓果实振动方程，求解蓝莓果实相对于末枝的振动输出响应，进而得到蓝莓果实相对于地面的振动输出响应。通过对蓝莓果实受力分析，求解点作用瞬态激振力和点作用周期激振力作用于蓝莓植株时对蓝莓果实产生的采摘振动力。
　　分析采摘装置工作原理，利用“给定行程速比法”和“图解法”优化设计采摘装置传动机构，并对传动机构进行运动学分析;对采摘装置末端执行元件进行动力学分析，优化设计并选择采摘装置驱动元件，计算采摘机工作时采摘装置输出的采摘激振力大小。分析采摘装置与蓝莓植株相互作用过程，通过采摘装置与蓝莓植株坐标转换矩阵，求解得到二者相互作用时在蓝莓植株各分枝作用点形成的采摘激振力，根据采摘激振力求解采摘装置作用于蓝莓植株时对蓝莓果实产生的采摘振动力。
　　利用“正交试验法”设计采摘装置工作参数组合，以蓝莓果实采摘质量和采摘效率为目标，进行采摘机工作参数正交试验，分析采摘机工作参数对蓝莓果实采摘质量和采摘效率的影响，确定最佳工作参数。以最佳工作参数进行蓝莓采摘试验，统计分析蓝莓果实采摘质量和采摘效率，评价采摘装置最佳工作参数的采摘质量。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景和意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外采摘机械研究发展现状

1．2．1 采摘机械分类

1．2．2 国外采摘机械研究发展现状

1．2．3 国内采摘机械研究发展现状

1．2．4 国内外蓝莓采摘机械研究现状

1．3 国内外采摘振动理论研究发展现状

1．3．1 国外采摘振动理论研究发展现状

1．3．2 国内采摘振动理论研究发展现状

1．4 主要研究内容

2 蓝莓植株多自由度系统物理建模与振动方程模态分析

2．1 蓝莓植株物理建模

2．1．1 人工种植蓝莓植株生长结构分析

2．1．2 模型基本假设

2．1．3 模型边界条件建立

2．1．4 蓝莓植株物理模型建立

2．2 蓝莓植株数学建模

2．2．1 坐标系建立

2．2．2 坐标系变换

2．3 蓝莓植株多自由度系统振动建模

2．4 蓝莓植株多自由度系统振动模型齐次方程定解问题求解

2．4．1 蓝莓植株多自由度系统齐次微分方程组通解求解

2．4．2 蓝莓植株多自由度系统振动模型初始条件建立

2．4．3 蓝莓植株多自由度系统振动模型边界条件建立

2．5 蓝莓植株多自由度系统振动模型非齐次微分方程组模态响应求解

2．5．1 主振型正交性推导

2．5．2 非齐次微分方程组正则变换

2．5．3 点作用阶跃激振力非齐次微分方程组正则模态响应求解

2．5．4 点作用非周期力非齐次微分方程组正则模态响应求解

2．6 振动模型模态分析

2．6．1 实测数据建立蓝莓植株物理模型

2．6．2 蓝莓植株固有频率有限元计算

2．6．3 蓝莓植株生长参数和力学参数对固有频率影响分析

2．6．4 主振型数值模拟仿真

2．6．5 阶跃激振力正则模态响应数值模拟仿真

2．6．6 点作用非周期激振力正则模态响应数值模拟仿真

2．7 本章小结

3 蓝莓植株多自由度系统振动响应与蓝莓果实振动采摘力仿真分析

3．1 蓝莓植株多自由度系统自由振动正则模态响应分析与求解

3．1．1 无激振力作用正则模态响应

3．1．2 点作用瞬态力正则模态响应

3．1．3 自由振动输出响应标准化

3．2 蓝莓植株多自由度系统受迫振动正则模态响应分析与求解

3．2．1 简谐激振力正则模态响应求解

3．2．2 周期激振力输出响应标准化

3．3 各级分枝振动正则模态响应分析与求解

3．3．1 各级分枝振动响应矢量分析

3．3．2 各级分枝振动类型分析与简化

3．3．3 各级枝干生长连接关系分析

3．3．4 蓝莓树枝振动响应求解

3．4 蓝莓果实振动方程的建立与振动响应分析

3．5 蓝莓果实采摘振动力分析与求解

3．6 蓝莓植株振动响应及蓝莓果实振动采摘力仿真分析

3．6．1 自由振动输出响应仿真分析

3．6．2 受迫振动输出响应仿真分析

3．6．3 蓝莓植株末枝振动仿真分析

3．6．4 蓝莓果实采摘振动力数值模拟仿真分析

3．7 本章小结

4 采摘装置优化设计与采摘激振力动力学分析

4．1 采摘装置传动机构优化设计

4．2 采摘装置传动机构运动学分析

4．3 采摘装置末端执行元件动力学分析

4．4 采摘装置驱动元件选择优化设计

4．5 采摘装置与蓝莓植株相互作用采摘激振力计算

4．5．1 采摘机指排坐标系的建立与转化

4．5．2 蓝莓树枝指排作用力方向求解

4．5．3 蓝莓树枝指排作用点求解

4．5．4 指排作用位置采摘力大小计算

4．6 采摘装置运动学、动力学数值模拟仿真分析

4．6．1 采摘装置运动学数值模拟仿真分析

4．6．2 采摘装置动力学数值模拟仿真分析

4．6．3 采摘装置与蓝莓植株相互作用采摘激振力数值模拟仿真分析

4．7 本章小结

5 蓝莓振动采摘试验

5．1 蓝莓果实采摘力测量试验

5．1．1 试验数据测量

5．1．2 试验数据处理

5．2 蓝莓植株采摘振动形态分析

5．3 采摘机工作参数正交试验

5．3．1 试验方案设计

5．3．2 试验数据处理

5．3．3 正交试验结果计算与分析

5．3．4 综合分析优选

5．4 蓝莓采摘试验

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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