[發明專利]香蕉果穗果指振動損傷仿真結構及其構建方法、驗證方法

有效

• 申請號: 202110281725.2
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN112861381B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 付函;楊靖愷;楊洲;李君;劉恩秀;杜文迪;閆華超
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉暢;馮炳輝

1.香蕉果穗果指振動損傷仿真結構，其特征在于：包括柔性桿、剛性塊體、第一連接件、粘彈鉸鏈、剛性桿、第二連接件和非均質質量塊體，所述柔性桿為香蕉果軸的仿真結構，所述剛性塊體為香蕉果梳的仿真結構，其數量有多個，每個剛性塊體的一端均連接有一個第一連接件，用于與柔性桿固定連接，其另一端均連接有兩組粘彈鉸鏈，每組粘彈鉸鏈均包括多個粘彈鉸鏈，每個粘彈鉸鏈均連接有一個剛性桿，該剛性桿為香蕉果柄的仿真結構，每個剛性桿均通過第二連接件連接有一個非均質質量塊體，所述非均質質量塊體為香蕉果指的仿真結構；在柔性桿上根據需要添加約束，并在柔性桿上根據需要設置激勵口的位置，通過在激勵口輸入特定規律的振動激勵，以實現果穗在各類激勵下的果指運動仿真。

2.根據權利要求1所述的香蕉果穗果指振動損傷仿真結構，其特征在于：在柔性桿上端與外部機架之間添加無摩擦鉸鏈的約束，并在柔性桿上沿垂直于柔性桿的方向添加激勵口；以及在柔性桿上下兩端與外部機架之間分別添加約束，并在柔性桿上添加豎直方向上的移動副，進而沿豎直方向添加激勵口，或在柔性桿上添加水平方向上的移動副，進而沿水平方向添加激勵口。

3.權利要求1或2所述的香蕉果穗果指振動損傷仿真結構的構建方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)香蕉果穗包括香蕉梗和果指，對香蕉果穗進行落梳處理，將香蕉梗分離為三部分：果軸、果梳和果柄；

2)對果軸進行三維重構，將落梳后的果軸沿著果梳上端切割為多段，分別測量每一段的直徑，通過每段果軸截面的直徑求出幾何平均數，將幾何平均數等效為果軸的直徑，進行拉伸建模，得到果軸幾何結構實體；

3)將果軸上的果梳由上至下分為多級，以首梳為參考分別記錄各級果梳的間距及轉角，從而依次定位其余果梳位置，再依次測量各級果梳的厚度、果梳弧長及果梳包絡角；

4)分別對果軸上各級果梳上的內外兩層果柄進行分組測量，即測量各級果梳上果柄的數量以及內外兩層果柄的首尾相對于果軸中心的相對位置，再計算出內外兩層果柄的平均轉角，通過圓周陣列得出果柄實體模型，從而得到了香蕉梗實體模型；

5)建立香蕉果指的三維實體模型：將香蕉果指沿著果指生長方向對半平剖，通過圖像處理分別提取得到大樣本的香蕉果皮輪廓線和果肉輪廓線，獲取關鍵特征點的坐標，并將果皮、果肉端面在同一坐標系上進行定位；

6)分別生成符合香蕉果指果肉輪廓線和果皮輪廓線的關鍵特征點坐標的正態分布的均值和標準差的隨機數，并分別用函數進行光滑擬合；

7)將果指放在帶有坐標刻度線的背景下，統一起始位置，等間距將果指沿垂直輪廓線的方向將其剖開，并采集果指橫截面在統一尺度下的平面圖像，分別提取各段果肉和果皮的橫截面輪廓，獲取關鍵特征點的坐標；

8)根據每個果指橫截面所在的位置，分別生成符合果指橫截面關鍵特征點坐標正態分布的均值和標準差的隨機數，并用函數進行光滑擬合；

9)根據果肉輪廓線、果皮輪廓線及果指不同位置處橫截面輪廓的擬合函數，在仿真軟件中通過放樣生成包含果肉、果皮的果指實體模型，并分別測量果肉和果皮的體積；

10)在步驟4)中所建立的香蕉梗實體模型中導入實體仿真軟件，將果梳實體定義為剛性塊體、將果柄實體定義為剛性桿；

11)進行果軸抗彎特性的大樣本試驗，獲得果軸抗彎模量正態分布的均值和標準差；

12)在實體仿真軟件中建立柔性桿，以步驟11)獲得的果軸抗彎模量作為柔性桿的抗彎模量，并用柔性桿替換香蕉梗實體模型中果軸的實體部分，由柔性桿、剛性塊體和剛性桿組成剛柔耦合多體梗模型；

13)統計步驟9)得到的果皮和果肉體積，獲得果梳上各層果皮和果肉體積符合正態分布的均值和標準差，并獲得各層果指果肉和果皮的平均密度；

14)按果指所在的果梳層數，生成符合果皮和果肉體積正態分布的均值和標準差的n個隨機數，并根據果肉和果皮平均密度在實體仿真軟件中建立n個符合香蕉果指質量分布的非均質質量塊體；

15)按果指所在的果梳層數，將n個非均質質量塊體隨機添加果梳對應的果柄部位；

16)測量大樣本第一連接件的拉斷強度與折斷強度，生成符合拉斷強度與折斷強度正態分布的均值和標準偏差的K個隨機數，添加在果軸與果梳的連接位置；

17)按果指所在的果梳層數，測量大樣本粘彈鉸鏈的彈性系數與阻尼系數，生成符合彈性系數和阻尼系數正態分布的均值和標準差的n個彈性系數隨機數和對應的n個阻尼系數隨機數，添加在果梳與果柄之間的粘彈鉸鏈；

18)按果指所在的果梳層數，測量大樣本第二連接件的拉斷強度和折斷強度，分層生成符合拉斷強度與折斷強度正態分布的均值和標準差的n個隨機數，添加在果柄與果指之間的第二連接件；

19)構建約束及激勵口：在柔性桿上端與外部機架之間添加無摩擦鉸鏈的約束，并在柔性桿上沿垂直于柔性桿的方向添加激勵口，模擬果穗繞無摩擦鉸鏈擺動；以及在柔性桿上下兩端與外部機架之間分別添加約束，并在柔性桿上添加豎直方向上的移動副，進而沿豎直方向添加激勵口，模擬果穗與外部機架構成垂直方向的整體振動，或在柔性桿上添加水平方向上的移動副，進而沿水平方向添加激勵口，模擬果穗與外部機架構成水平方向的整體振動。

4.權利要求1或2所述的香蕉果穗果指振動損傷仿真結構的驗證方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)針對柔性桿上的每個激勵口分別輸入特定規律的振動激勵F，并分別進行摘取階段和運送階段的果穗振動仿真，測量果指的振動響應；

2)對實際果穗在激勵點給予和步驟1)振動仿真中同樣規格的振動激勵F，進行果穗振動試驗，通過壓電薄膜傳感器和高速相機測量果指的振動響應；

3)將步驟1)中果指的振動響應與步驟2)中振動試驗的果指振動響應進行比較，從而完成對果穗振動仿真模型的驗證。