摘 要

林果业作为现代林业中十分重要的一部分，其发展越来越受到人们的重视，随着林果机械化采收的应用越来越多，对果树频谱特性进行更深入的研究是很有必要的。不同的果树具有不同的冠型结构，冠型结构也是影响果树频谱特性的重要因素之一，但目前针对其的研究还比较少。银杏作为典型的干果类，最适合采用振动采收的方式来采果，为了研究不同冠型结构的银杏树的频谱特性规律，本文选取了3种具有典型冠型结构的银杏树，即平面型、四周型（侧枝集中）、四周型（侧枝发散）银杏树进行频谱特性测试与分析。通过频谱特性试验初步分析银杏树的固有频率规律关系以及果树树干、分枝各点的位移、速度、加速度等响应关系。基于激光扫描技术建立银杏树的三维模型并且进行有限元仿真分析，再将仿真分析结果与试验结果进行对比分析。

关键词：银杏树；频谱特性；三维建模；有限元分析

Experimental study on canopy structure and spectral characteristics of fruit trees

ABSTRACT

As a very important part of modern forestry, fruit industry has attracted more and more people's attention. With the increasing application of mechanized harvesting of forest fruit, it is necessary to carry out more in-depth research on the spectral characteristics of fruit trees. Different fruit trees have different crown structures, and crown structure is also one of the important factors affecting the spectral characteristics of fruit trees, but at present, there are few studies on them. As a typical dried fruit, Ginkgo biloba is the most suitable method for picking fruit by vibration harvesting. In order to study the spectral characteristics of Ginkgo biloba with different crown structures, three ginkgo trees with typical crown structure are selected. The four-dimensional type (side branch concentration) and the four-sided type (side branch divergence) ginkgo tree were tested and analyzed for spectral characteristics. Through the spectral characteristics test, the relationship between the natural frequency law of Ginkgo biloba and the displacement, velocity and acceleration of the trunk and branches of fruit trees were analyzed. Based on laser scanning technology, a three-dimensional model of ginkgo tree was established and finite element simulation analysis was carried out. The simulation analysis results were compared with the experimental results.

Key words：Ginkgo biloba tree; Frequency spectrum characteristics; 3D modeling; Finite element analysis

目 录

1 绪论 1

1.1研究背景、目的与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.2树体动力学试验和仿真分析 4

1.2.3国内外研究现状综合分析及结论 6

1.3主要研究内容 7

2 银杏树的频谱特性试验研究 8

2.1试验目的及内容 8

2.2试验材料与方法 8

2.2.1试验对象 8

2.2.2试验装置和方法 13

2.2.3试验结果与分析 14

2.3本章小结 29

3 银杏树的三维重建 31

3.1基于激光扫描三维重建的理论基础 31

3.2点云数据的获取及处理 32

3.2.1激光扫描系统 32

3.2.2点云数据的获取和预处理 33

3.2.3骨架的提取 36

3.3 Pro/ENGINEER软件和三维重建方法介绍 39

3.4银杏树三维重建的实现 40

3.5本章小结 42

4 银杏树的仿真分析 43

4.1 ANSYS Workbench软件介绍 43

4.2基于有限元法的仿真分析 43

4.3有限元仿真分析结果 44

4.4仿真分析结果与实际试验结果对比 50

4.5本章小结 52

5 果树结构对固有频率的影响 54

5.1主干的粗细程度对固有频率和阻尼比的影响 54

5.2树枝的粗细程度对固有频率和阻尼比的影响 57

5.3树枝的数量对固有频率和阻尼比的影响 60

5.4果树的冠型结构对固有频率和阻尼比的影响 61

5.5本章小结 63

6 总结与展望 64

6.1本文主要研究工作与研究结论 64

6.2本文主要创新点 65

6.3进一步研究建议 65

致 谢 67

参考文献 68

1 绪论

1.1研究背景、目的与意义

林果产业是现代林业的重要组成部分，林果产业的迅速发展不仅能促进我国社会经济发展，而且已经成为帮助农民脱贫致富的一条重要途径，正逐渐受到政府部门的高度重视^[1]。我国是林果生产强国，干果产业位居世界榜首。早在2015年，我国林果年产值就已经达到4614.13亿元，产量达13749万吨，其中水果12660万吨，干果1089万吨^[2]。

而在林果生产中，林果采收作业是其中最费时费力的一个环节，具有季节性强、劳动强度大、费用高等问题。单单就林果采收这一个环节，所用的劳动力就占整个生产过程的35%-45%^[3]，所以，如何提高林果采收效率、降低林果采收难度就成为了一个需要攻坚的难题。目前，林果采收的主要方法有四种，分别为：手工采收、半机械化采收、机械化采收和采摘机器人。本文选取的研究对象是较为普遍的银杏树，而采摘银杏最有效的方式就是通过机械振动来收获，它的工作原理是通过一定形式的振动机构，将机械振动传递给果树，果树在受到外加的强迫振动后，也会以一定的频率和振幅振动，从而使果树树枝上的果实也以某种振动形式而加速运动，进而产生惯性力。只要当果实获得的惯性力大于果实与果枝之间的结合力的时候，果实就会从树枝上分离脱落，从而达到采摘果实的目的^[4]。