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葡萄脱落之谜：CAE仿真带你一探究竟

纵横CAE

2月前浏览1403

葡萄，色泽诱人，味道甜美，营养丰富，是大家都喜爱的水果之一。然而，葡萄在生长、成熟、采摘过程中，受到重力、风力、振动、挤压会脱落，产量和品质严重受损，给果农造成经济损失。

满筐圆实骊珠滑，入口甘香冰玉寒。

若使文园知此味，露华应不乞金盘。

——元·郑允端《葡萄》

今天，让我们借助CAE仿真技术，一起揭秘葡萄脱落机理。建立葡萄动力学模型，依次进行模态、谐响应和随机振动分析，预测葡萄浆果的动态响应特性，从而为提高葡萄产量和品质提供依据。

葡萄的前六阶固有频率和振型

1 建立几何模型

如下图所示，利用Solidworks、UG等建模软件创建一串包含若干葡萄、藤枝和果梗的详细三维模型，然后将模型另存为中间格式（x_t，step等）。

葡萄及其藤枝几何模型

2 建立分析项目

启动ANSYS Workbench，建立葡萄动力学分析流程。右击Geomrtry，进入DM界面导入几何模型，设置单位为mm，单击Generate显示几何体。

葡萄谐响应分析流程

3 定义材料属性

双击Engineering Data，右击空白界面选择Engineering Data Sources，点击欲添加材料后面的“+”号，或者根据下方表格依次修改葡萄、藤枝和果梗所需材料属性。

葡萄、藤枝和果梗的材质属性

进入Mechanical界面，依次单击葡萄、藤枝和果梗的名称，然后在下方列表的Assignment中选择对应材料。不断修正材料参数值，从而不断校正葡萄模型。

4 进行网格划分

考虑到葡萄、藤枝、果梗形状不规则，采用自动网格划分，合理控制单元尺寸，并进行网格质量检查。具体参见前期文章：干货 | ANSYS Workbench网格质量评价。

葡萄动力学分析有限元模型

5 约束模态分析

模态分析是研究葡萄动力特性的基础，主要探究其固有频率和振型。当外界激励频率与葡萄固有频率接近时，会发生振动幅值异常放大的共振现象，从而导致葡萄脱落。

葡萄的前六阶固有频率和振型

点击Analysis Settings修改模态数量，获取大于葡萄振动激励最大频率1.5倍的固有频率，保证所截取的模态有效质量分数≥90％。右击Modal，选择Solve求解计算。

6 谐响应分析

1) 单击模型树中的Harmonic Response，选择Analysis Settings，在下方面板的Options中依次设置频率范围、频率间隔、阻尼系数等相关参数。具体参见前期文章：干货 | ANSYS Workbench谐响应分析。

葡萄谐响应分析相关参数设置

2) 单击模型树中的Harmonic Response，选择Environment工具栏中的loads，添加Force，图形区选中葡萄藤枝的上端截面为力的作用区域，并在Definition中设置力的数值大小Magnitude、作用方向Define By等。

3) 图形区框选葡萄、藤枝和果梗，右击Solution依次添加位移Deformation、加速度Acceleration、应力Stress等。右击Solution选择求解计算，查看葡萄不同频率处的位移响应云图、不同节点随频率变化曲线等。

葡萄位移响应云图及节点随频率变化曲线

藤枝下部分浆果相对稳定，而右上部浆果则更容易摆动和掉落，最容易掉落的区域集中在右上部，因此葡萄谐响应仿真模型可为葡萄机械化采收提供理论依据。

7 随机响应分析

随机响应分析可以评估葡萄在随机载荷激励下的振动响应特性。在随机响应分析前，首先进行模态分析，以确定频率范围、模态数量和振型信息，模态阶数根据实际选取。具体参见前期文章：Ansys Workbench随机响应分析。

葡萄随机响应分析流程

点击模型树中的Random Vibration ，选择Environment工具栏中的RS Base Excitation（基础激励响应分析），选择加速度功率谱密度PSD GAcceleration，来模拟葡萄所处的随机振动环境，下方表格中Tabular Data设置数据。

葡萄各向随机响应最大应力分布云图

通过CAE仿真分析，可以发现葡萄脱落主要与果梗的力学特性有关。果梗作为连接葡萄与藤枝的关键部位，其强度和韧性直接影响到葡萄的稳定性。当外界力学环境超过果梗的承受范围时，葡萄便会脱落。

CAE仿真技术在果蔬采栽、甘蔗收割、农作物倒伏等农业种植领域应用广泛。关注我们，让我们一起探索农业科技发展，用科技力量助力农业生产。在此向扎根祖国大地，把论文写在祖国大地，为劳动人民做出贡献的科研人员致敬！

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[1] Multidirectional Dynamic Response and Swing Shedding of Grapes: An Experimental and Simulation Investigation under Vibration Excitation.

[2] Vibration analysis and experimental study of the effects of mechanised grape picking on the fruitestem system.

来源：纵横CAE

小白秒变大神！Solidworks操作中100％会用到的技巧

Solidowrks是功能最为强大的三维建模软件之一，在航空航天、国防军工、智能装备等众多工程领域应用广泛。本文详细总结了多种特别有用的Solidowrks操作技巧，让你从小白秒变大神！技巧1：模板无效问题描述：SolidWorks导入Step格式时，总是一直弹出默认模版无效，如果导入的是装配体，会不断出现这个提示，每次都要重复一次或多次这种操作，如下图所示，比较烦人。解决办法：在选项-默认模版处将零件、装配体、工程图均选择一个模版路径。再次打开就不会弹出上述提示。技巧2：操作卡顿问题描述：不管是画草图还是零件，只要鼠标触碰到特征实体或者特征树中的名字，软件都会一直扫描预览相应特征或实体的边线，扫描的时候软件就完全卡住，必须等到扫描完后才能进行其他操作，导致Solidworks特别卡顿，如下图所示。原因分析：这是由于Solidworks系统选项设置问题，如下图所示。在系统选项-性能-勾选了“使用软件OpenGL”。这将强迫Solidworks进入软件OpenGL 模式，这表示Solidworks在执行图形计算时，使用的是软件程序，而不是所支持的显卡。对于简单的图形处理，它与显卡进行图形处理无太大区别，但是，若做大图形处理计算，两者存在很大差距。解决办法：Step 1：不要在打开模型状态下进行系统选项更改；Step 2：显卡不受Solidworks所支持；Step 3：显卡驱动不正确，更新，尝试其他版本；Step 4：尝试更换电脑分辨率、色彩质量、屏幕刷新频率等；Step 5：输入regedit打开注册表，找到下图所述地址，将右侧的Workarounds的值改为9，以防万一，请先备份注册表。重启电脑后，打开Solidworks即可取消勾选“使用软件OpenGL”。打开模型，卡顿解决。技巧3：启动缓慢问题描述：安装了Solidowrks软件，但是启动异常缓慢，不断加载注册表等，如下图所示，需要几分钟甚至更长时间才能开启，应该怎么解决呢？解决办法：Step 1：找到FLEXnet文件夹。找到文件夹C:\ProgramData\FLEXnet，一般这个ProgramData文件夹都是隐藏的。如果没找到上面所说的文件夹，那么请看下面的操作。如果您是win10系统的用户，您可以尝试以下操作：1) 打开C盘，然后点击顶部的【查看】-【选项】，如下图所示：2) 打开文件夹选项，点击查看-找到显示隐藏的文件、文件夹和驱动器，并选中，如下图所示： Step 2：将“SW_D_”三个文件移除。打开FLEXnet文件夹，将下图所示三个“SW_D_”文件删除，或者剪切到别的地方备份，以免后面操作不当，还可以复制粘贴回来做个保障。这样操作以后，可以重启Solidowrks，然后再打开使用就会发现10s左右就可以启动Solidowrks啦。 Step 3：复原隐藏文件夹。上面的都操作完成后，再把文件的隐藏复原回来，调整到原来的隐藏状态就可以了。技巧4：字体混乱问题描述：SolidWorks工程图纸保存为PDF格式时失败或者错乱，总是提示字体“Arial Unicode MS安装不正确，PDF 文件中的一个或多个文本字串可能已丢失，如下图所示。解决办法：这一类的问题多数是字体缺少或损坏造成，下载并安装Arial Unicode MS字体即可。技巧5：零件替换问题描述：Solidworks替换零部件，为什么重新打开又变回去了？修改标准件后插入装配体中，可是当我们保存退出装配体后，再打开时发现修改好的标准件自动被替换成原来的那个标准件。解决办法：单击菜单栏工具，选择选项。在系统选项中选择异型孔向导/Toolbox，取消勾选“将此文件夹设为Toolbox零部件的默认搜索位置”。技巧6：去除切线 SolidWorks输出的工程图上有很多不必要的线，甚至不符合国标制图规范，比如非实体线，也即切边线。这里根据不同需求，介绍三种去除非实体线、圆角面线的方法：1) 仅将一个视图中，某一条切边线单独隐藏；2) 仅将一个视图中，全部切边线隐藏；3) 将以后生成的所有视图中，所有切边线隐藏。Step 1：运行SolidWorks，打开工程图，里面含有不需要的非实体线。Step 2：单击想要去除的切边线，屏幕上自动出现跟随选项，选择“隐藏/显示边线”，这一条线段就会被隐藏。Step 3：如果想去掉某一视图中的所有切边线，那么右键点击想要去除切边线的视图，依次选择：切边——切边不可见。这一个视图中的切边线就被去除了。Step 4：如果每个视图都需要操作就太麻烦了，想要一劳永逸，依次点击：选项——系统选项——工程图/显示类型——切边/移除。即可移除切边线。注意，是新生成的视图！之前的视图是不会变的。按第4步设置完成后会发现，需要切边线的视图还是要有的。那么就使用第3步的方法，右键点击视图，依次选择：切边——切边可见，就可以了。来源：纵横CAE