[发明专利]香蕉果穗果指振动损伤仿真结构及其构建方法、验证方法

权利要求书

1.香蕉果穗果指振动损伤仿真结构，其特征在于：包括柔性杆、刚性块体、第一连接件、粘弹铰链、刚性杆、第二连接件和非均质质量块体，所述柔性杆为香蕉果轴的仿真结构，所述刚性块体为香蕉果梳的仿真结构，其数量有多个，每个刚性块体的一端均连接有一个第一连接件，用于与柔性杆固定连接，其另一端均连接有两组粘弹铰链，每组粘弹铰链均包括多个粘弹铰链，每个粘弹铰链均连接有一个刚性杆，该刚性杆为香蕉果柄的仿真结构，每个刚性杆均通过第二连接件连接有一个非均质质量块体，所述非均质质量块体为香蕉果指的仿真结构；在柔性杆上根据需要添加约束，并在柔性杆上根据需要设置激励口的位置，通过在激励口输入特定规律的振动激励，以实现果穗在各类激励下的果指运动仿真。

2.根据权利要求1所述的香蕉果穗果指振动损伤仿真结构，其特征在于：在柔性杆上端与外部机架之间添加无摩擦铰链的约束，并在柔性杆上沿垂直于柔性杆的方向添加激励口；以及在柔性杆上下两端与外部机架之间分别添加约束，并在柔性杆上添加竖直方向上的移动副，进而沿竖直方向添加激励口，或在柔性杆上添加水平方向上的移动副，进而沿水平方向添加激励口。

3.权利要求1或2所述的香蕉果穗果指振动损伤仿真结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)香蕉果穗包括香蕉梗和果指，对香蕉果穗进行落梳处理，将香蕉梗分离为三部分：果轴、果梳和果柄；

2)对果轴进行三维重构，将落梳后的果轴沿着果梳上端切割为多段，分别测量每一段的直径，通过每段果轴截面的直径求出几何平均数，将几何平均数等效为果轴的直径，进行拉伸建模，得到果轴几何结构实体；

3)将果轴上的果梳由上至下分为多级，以首梳为参考分别记录各级果梳的间距及转角，从而依次定位其余果梳位置，再依次测量各级果梳的厚度、果梳弧长及果梳包络角；

4)分别对果轴上各级果梳上的内外两层果柄进行分组测量，即测量各级果梳上果柄的数量以及内外两层果柄的首尾相对于果轴中心的相对位置，再计算出内外两层果柄的平均转角，通过圆周阵列得出果柄实体模型，从而得到了香蕉梗实体模型；

5)建立香蕉果指的三维实体模型：将香蕉果指沿着果指生长方向对半平剖，通过图像处理分别提取得到大样本的香蕉果皮轮廓线和果肉轮廓线，获取关键特征点的坐标，并将果皮、果肉端面在同一坐标系上进行定位；

6)分别生成符合香蕉果指果肉轮廓线和果皮轮廓线的关键特征点坐标的正态分布的均值和标准差的随机数，并分别用函数进行光滑拟合；

7)将果指放在带有坐标刻度线的背景下，统一起始位置，等间距将果指沿垂直轮廓线的方向将其剖开，并采集果指横截面在统一尺度下的平面图像，分别提取各段果肉和果皮的横截面轮廓，获取关键特征点的坐标；

8)根据每个果指横截面所在的位置，分别生成符合果指横截面关键特征点坐标正态分布的均值和标准差的随机数，并用函数进行光滑拟合；

9)根据果肉轮廓线、果皮轮廓线及果指不同位置处横截面轮廓的拟合函数，在仿真软件中通过放样生成包含果肉、果皮的果指实体模型，并分别测量果肉和果皮的体积；

10)在步骤4)中所建立的香蕉梗实体模型中导入实体仿真软件，将果梳实体定义为刚性块体、将果柄实体定义为刚性杆；

11)进行果轴抗弯特性的大样本试验，获得果轴抗弯模量正态分布的均值和标准差；

12)在实体仿真软件中建立柔性杆，以步骤11)获得的果轴抗弯模量作为柔性杆的抗弯模量，并用柔性杆替换香蕉梗实体模型中果轴的实体部分，由柔性杆、刚性块体和刚性杆组成刚柔耦合多体梗模型；

13)统计步骤9)得到的果皮和果肉体积，获得果梳上各层果皮和果肉体积符合正态分布的均值和标准差，并获得各层果指果肉和果皮的平均密度；

14)按果指所在的果梳层数，生成符合果皮和果肉体积正态分布的均值和标准差的n个随机数，并根据果肉和果皮平均密度在实体仿真软件中建立n个符合香蕉果指质量分布的非均质质量块体；

15)按果指所在的果梳层数，将n个非均质质量块体随机添加果梳对应的果柄部位；

16)测量大样本第一连接件的拉断强度与折断强度，生成符合拉断强度与折断强度正态分布的均值和标准偏差的K个随机数，添加在果轴与果梳的连接位置；

17)按果指所在的果梳层数，测量大样本粘弹铰链的弹性系数与阻尼系数，生成符合弹性系数和阻尼系数正态分布的均值和标准差的n个弹性系数随机数和对应的n个阻尼系数随机数，添加在果梳与果柄之间的粘弹铰链；

18)按果指所在的果梳层数，测量大样本第二连接件的拉断强度和折断强度，分层生成符合拉断强度与折断强度正态分布的均值和标准差的n个随机数，添加在果柄与果指之间的第二连接件；

19)构建约束及激励口：在柔性杆上端与外部机架之间添加无摩擦铰链的约束，并在柔性杆上沿垂直于柔性杆的方向添加激励口，模拟果穗绕无摩擦铰链摆动；以及在柔性杆上下两端与外部机架之间分别添加约束，并在柔性杆上添加竖直方向上的移动副，进而沿竖直方向添加激励口，模拟果穗与外部机架构成垂直方向的整体振动，或在柔性杆上添加水平方向上的移动副，进而沿水平方向添加激励口，模拟果穗与外部机架构成水平方向的整体振动。

4.权利要求1或2所述的香蕉果穗果指振动损伤仿真结构的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)针对柔性杆上的每个激励口分别输入特定规律的振动激励F，并分别进行摘取阶段和运送阶段的果穗振动仿真，测量果指的振动响应；

2)对实际果穗在激励点给予和步骤1)振动仿真中同样规格的振动激励F，进行果穗振动试验，通过压电薄膜传感器和高速相机测量果指的振动响应；

3)将步骤1)中果指的振动响应与步骤2)中振动试验的果指振动响应进行比较，从而完成对果穗振动仿真模型的验证。