[發明專利]一種有果有葉果樹振動模型的構建方法

有效

• 申請號: 202010055843.7
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111241739B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 許林云;劉冠華;宣言;周宏平;周杰;韓元順
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/13;G06F17/16
• 代理公司: 南京樂羽知行專利代理事務所(普通合伙) 32326
• 代理人: 孫承堯

1.一種有果有葉果樹振動模型的構建方法，其特征在于：該構建方法步驟如下：

A、通過激光掃描設備對果樹枝桿進行掃描，獲取果樹枝桿的點云信息；

B、以獲取的果樹點云信息為基礎，提取果樹枝桿的骨架點、骨架點處果樹半徑、骨架點之間的拓撲關系；

C、將兩個具有相鄰拓撲關系的骨架點作為空間圓柱梁單元的兩個節點構成一個空間圓柱梁單元，多個空間圓柱梁單元按照拓撲關系依次連接而成果樹枝干振動模型；

D、通過統計的方式獲得果實和樹葉在果樹上的分布規律；

E、將步驟C中的果樹枝干振動模型和步驟D中的果實和樹葉在果樹上的分布規律相結合，獲得有果有葉果樹振動模型；

所述步驟C中的果樹枝干振動模型依據有限元理論得到6自由度空間圓柱梁單元的質量矩陣和剛度矩陣，即樹枝質量矩陣[M_z]和果樹的剛度矩陣[K]：

式(2)、(3)中，r為對應節點空間圓柱梁的半徑，則對應空間圓柱梁單元的截面積A＝πr²；m為對應空間圓柱梁單元的單元質量；L是單元長度，即相鄰兩骨架點的直線距離；空間圓柱梁的拉伸剛度H_m＝EA；空間圓柱梁的扭轉剛度為H_t＝Gmr²/2；空間圓柱梁繞y軸的抗彎強度H_y＝Em(3r²+L²)/12、空間圓柱梁繞z軸的抗彎強度H_z＝Em(3r²+L²)/12；E為果樹的彈性模量；G為果樹的剪切模量；

所述步驟D中的果實和樹葉在果樹上的分布規律包括生長果實和樹葉的樹枝直徑規律、單位長度的樹枝上的果實平均數量n_g和樹葉平均數量n_y、平均單個果實的質量m_g和平均單個樹葉的質量m_y，依據有限元理論得到樹葉質量矩陣[M_y]和果實質量矩陣[M_g]；

根據公式(2)、(4)、(5)，獲得果樹的質量矩陣[M]：

[M]＝[M_z]+[M_y]+[M_g]?????????(6)

將公式(6)代入公式(1)，獲得有果有葉果樹振動模型的新的果樹振動微分方程：

所述步驟E中的有果有葉果樹振動模型是將機械振動理論中的三維空間圓柱梁結構有阻尼一般振動微分方程應用于果樹，形成果樹振動微分方程：

式(1)中，[K]、[C]和[M]分別為果樹的剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣；果樹的質量矩陣[M]由樹枝質量矩陣[M_z]、樹葉質量矩陣[M_y]和果實質量矩陣[M_g]三部分構成；果樹的剛度矩陣[K]由樹枝剛度矩陣構成；{u}分別為骨架點的加速度向量、速度向量和位移向量；{p(t)}為激勵力向量。

2.根據權利要求1所述的有果有葉果樹振動模型的構建方法，其特征在于：所述步驟A中的果樹枝桿為無果無葉的果樹枝干。

3.一種應用權利要求1所述的有果有葉果樹振動模型的構建方法所構建的有果有葉果樹振動模型來計算果樹固有頻率的方法，其特征在于：在計算果樹固有頻率時，果樹的阻尼項為零且不施加外部激勵項，得到簡化的果樹無阻尼自由振動微分方程：

根據線性振動理論中的模態振型定義，當果樹處于某一模態振型{φ}時，果樹各點的振幅之比是唯一的，則果樹在模態振型{φ}下振動時各點的位移振動響應公式為：

{u}＝{φ}sin(ωt+θ)???????????(9)

公式(9)中，ω表示響應頻率；t表示時間變量；θ表示響應與激勵間的相位差；將公式(9)帶入公式(8)中約去共同因子后得到：

([K]-ω²[M]){φ}＝{0}??????????????????(10)

將根部約束簡化為固定端約束，結合公式(10)和(3)，消去果樹底部節點的前6個自由度后求解式(10)的特征行列式即可得到6自由度三維空間梁單元構建的果樹模型的固有頻率。