主动出击，逆流而上！CAE仿真一个精子的升级之路

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！声明：本文相关内容整理自网络，并不意味着支持其观点或证实其内容的真实性。如涉及版权等问题，请联系我们删除。参考文献：[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