基于有限元模拟与响应面法的枣树振动采收参数优化研究及其在林业果实机械化采收中的应用

推荐：针对枣树(Ziziphus jujuba Mill)机械化采收效率低、损伤率高的问题，研究人员通过三维扫描逆向重建建立枣枝模型，结合有限元仿真(Workbench)和分层振动试验，优化了振动频率(5.80 Hz/15.60 Hz)与振幅(7.00 mm/8.50 mm)的耦合参数，实现88.74%采收率，为林果振动采收机械研发提供重要参考。

　　

枣树作为中国原产的经济林果，已有4000余年栽培历史，但其采收仍以人工为主，效率低下且劳动强度大。随着矮化密植技术的推广，规模化种植对机械化采收需求迫切，但现有振动采收技术存在能量传递效率低、果实损伤率高两大核心问题。传统研究多采用简化圆柱体建模或单频振动测试，难以反映复杂树体结构的真实动力学特性，更缺乏多参数耦合作用机制研究。

新疆生产建设兵团昆玉市标准化枣园的研究团队创新性地采用HandySCAN 700三维扫描仪获取枣枝点云数据，通过Geomagic Design X软件实现毫米级精度逆向重建。基于有限元分析软件Workbench 2022，设置密度1.022 g/cm³、杨氏模量5.801 GPa等参数，对53450个单元的枣枝模型进行0-30 Hz模态分析，发现典型振型包括整体变形（5.82 Hz时最大位移124.12 mm）、单侧分支变形（11.768 Hz时达392.02 mm）和末梢变形（18.808 Hz）三类。谐响应分析揭示：粗枝测点在17 Hz出现加速度峰值（30 N激振力下），而6 Hz时细枝位移达50 mm，显著高于粗枝的25 mm。

研究团队设计分层激振装置（Jzk-50/Jzk-10电动激振器），采用四因素三水平响应面法，以细枝四个测点加速度综合评分P为指标（临界分离加速度12.2 m/s²）。通过Design-Expert 12建立二次回归模型（R²=0.9662），发现上层激振频率(C)和振幅(D)影响极显著(p<0.0001)，最优参数组合为：下层5.80 Hz/7.00 mm配合上层15.60 Hz/8.50 mm，此时测点加速度最接近分离阈值，田间验证采收率达88.74%。

关键技术包括：

1. 基于三坐标测量仪(WKT-120A)和万能试验机(Instron 8801)测定枣枝物理参数
2. 通过VXelements软件实现多视角扫描数据融合
3. 采用块兰索斯法(Block Lanczos)进行模态提取
4. 建立包含53450个单元的有限元网格
5. 开发基于斜率算法的加速度评分系统（12.2-37.86 m/s²区间线性评分）

主要研究结果：

1. 模态分析：0-30 Hz内存在6阶典型振型，第5阶(11.768 Hz)左枝变形达392.02 mm，第7阶(15.432 Hz)右枝变形345.17 mm，第10阶(18.808 Hz)末梢变形显著。
2. 谐响应特征：粗枝测点在17 Hz加速度响应最强，细枝测点在6 Hz位移最大，路径依赖性显著（右枝18-21 Hz出现选择性共振）。
3. 参数优化：交互项BD(下层振幅×上层振幅)影响最显著，回归方程显示上层振幅D的二次项系数达-2.39，存在明显极值点。
4. 田间验证：最优参数下细枝测点加速度评分89.48，较单频振动提高36.7%。

该研究首次将逆向工程与分层振动理论结合，突破传统单点激振的能量局限。通过建立"低频大振幅底层传输+高频适幅上层解离"的分层振动模式，实现振动能量在异质结构中的定向传递。发现的15.6 Hz上层最佳激振频率与模态分析第7阶自然频率(15.432 Hz)高度吻合，证实共振效应是提高采收效率的关键机制。研究成果发表于《Smart Agricultural Technology》，为林果采收装备的智能化设计提供理论依据，特别对解决冠层顶部优质果实采收难题具有重要实践价值。未来可结合果实动力学模型进一步优化振动参数，降低37.86 m/s²以上的过载风险。