摘要：针对农机触土部件易磨损失效这一难题,该研究设计了一种仿生布利冈结构件,并对其磨损特性进行评价,进一步探索耐磨机理。以布利冈结构的结构单元直径、层间螺旋角度、层间重叠间距3个因素设为自变量,以磨损量为响应值,在EDEM中进行仿真磨损试验,根据自变量与响应值之间的关系,优化布利冈结构的组成参数,得到最优的组成参数为:结构单元直径1.0mm、层间螺旋角度16°、层间重叠间距0.13mm,在此参数下经仿真磨损试验得到布利冈结构件的磨损量为2.13×10^(-6)g。对光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的耐磨效果,进行仿真磨损对比试验,结果表明,布利冈结构件较单层棱纹件磨损量减少了90.6%,较光滑件减少了92.2%。运用离散元法(digital elevation model,DEM)与有限单元法(finite element method,FEM)联合仿真,得到样件内部形变和应变,光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的平均变形量分别为1.62×10^(-9)、7.97×10^(-9)和1.82×10^(-8)mm;平均等效应力为1.16×10^(-6)、6.36×10^(-6)和1.01×10^(-5)MPa。布利冈结构件内部形变和所受应力较大,这一变化有助于吸收颗粒冲击能量,减小磨损。利用光固化打印技术加工样件,利用旋转式试验机和扫描电子显微镜分析3种样件的耐磨性能,结果表明,布利冈结构件的磨损量最小为0.12 g,且标准差最小,为0.012,耐磨性能较为稳定。研究结果可为农机具触土部件的耐磨增效提供设计依据和理论基础。

摘要：深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题。采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面。通过室内土槽试验,考察深松过程中铲尖在含水率18.11%和12.57%,深松速度为0.2 m/s,0.4 m/s,0.6 m/s的牵引阻力与降阻率变化趋势,并与传统铲尖对比。试验结果表明:含水率一定的情况下,随着深松速度的增加,牵引力逐渐减小;含水率18.11%时,具有微刺—凸包几何结构表面的铲尖减阻能力最优,降阻率达20%以上;含水率12.57%时,具有微刺—凸包—鳞片混合表面的铲尖减阻能力最优,降阻率达15%以上。该研究提出西南地区红壤黏性土深松过程减阻的仿生设计思路,为在西南地区红壤土工作环境下设计和研发新装备提供参考。

摘要：以65Mn为基底材料,采用激光加工法,选择加工间距、扫描速度及重复扫描次数设计了正交试验,并经硬脂酸修饰构建了具有微纳复合结构的表面形貌。利用FESEM和EDS分别对样品表面的微观形貌和化学组成进行了分析,利用接触角测量仪及MATLAB分别对处理后65Mn样品表面的接触角(CA)、滚动角(SA)进行了测量,计算了砂纸磨损前后65Mn样品的分形维数。最终得到各参数最优水平为加工间距0.05 mm,扫描速度200 mm/s,重复扫描3次,65Mn最优水平样品表面的分形维数为最大值2.5875,CA也为最大值154.19°;样品表面的分形维数达到最小值2.5591时,样品表面的CA也降为最小值151.19°.采用5 kPa负载和砂纸,对65Mn优水平样品进行磨损测试,与对照组相比,磨损后的65Mn优水平样品表面仍然具有最大的CA(145.51°)及最小的SA(34.77°)。由试验结果可知,样品表面不同区域的粗糙程度和不规则性相似,具有典型的分形结构特征。表面分形维数可用来评估65Mn样品表面的超疏水特性,表面分形结构越明显,分形维数越大,与之对应的CA也越大。表面分形维数还可以判断65Mn样品超疏水表面的机械稳定性,样品表面的分形维数越大,磨损后保留的分形结构越完整,与之对应的CA也越大,分形结构有效提高了65Mn样品表面的机械稳定性。

摘要：蚯蚓吞噬土壤,构建洞穴,发挥了肥沃土壤的重要作用。该文借助工程仿生技术手段,运用计算机图像处理技术对蚯蚓头部、体节轮廓图像进行量化分析,提取并拟合蚯蚓头部和体节的轮廓曲线,构建注液沃土装置的仿生几何结构表面。仿蚯蚓背孔排布方式设计了3孔和6孔注液型沃土装置,以UHMWPE为材料制备样机,并采用农机土槽试验系统开展注液沃土装置样机选型试验,考察孔数、是否注液、材料、表面结构4个参数对工作阻力和土壤粘附量的影响。试验结果表明,各参数对工作阻力的影响程度依次为:注液>孔数>材料>表面结构;对土壤粘附量的影响程度依次为:表面结构>孔数>材料>注液。从8类样机中确定的优选类型为:有6个注液孔、UHMWPE材质且具有仿生几何结构表面的仿生注液沃土装置。对选定的样机进行验证,结果表明:在相同试验条件下,该样机的平均工作阻力为283.48 N,平均土壤粘附量值为10.93 g,均低于其他类型样机。该研究工作可为实施机械化沃土工程提供技术参考。

摘要：为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%~3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖(T-S)在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%~19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%~17.06%。

摘要：为探索仿生注液沃土装置在土壤内部作业时工作参数对工作阻力和土壤粘附量的影响规律,优化作业参数,以保障并提高注液沃土装置作业质量,同时降低工作阻力和土壤粘附。该研究采用Box-Behnken试验优化设计方法,通过搭建农机土槽台车试验系统以模拟田间作业环境,开展注液沃土装置样机工作参数优化试验,将入土深度、注液量、土槽台车速度3个工作参数设为自变量,将工作阻力和土壤粘附量设为响应值,建立多元二次多项式回归方程,根据自变量与响应值之间的关系,优化仿生注液沃土装置的工作参数。结果表明:以土壤粘附量和工作阻力为响应值建立的回归方程模型拟合度良好;入土深度、液肥流量和工作速度对降低工作阻力和减小土壤粘附量的影响均显著,且入土深度和速度存在交互效应;试验因素对注液沃土装置降低工作阻力和减小土壤粘附量的影响程度为:入土深度>速度>流量,得到最优的工作参数为:入土深度11 cm、速度1.0 m/s、流量350 g/s。在最优工作参数条件下,注液沃土装置的工作阻力为260.01 N,土壤粘附量为8.73 g。该研究工作为注液沃土技术的应用和推广提供了参考依据。

摘要：为探索克氏原鳌虾(Procambarus clarkii)在泥浆中穿行的防黏耐磨机理,该文以克氏原鳌虾头胸部外骨骼作为研究对象,分析其无机元素含量和存在形态,观察其微观结构,并测量其硬度和弹性模量;对外骨骼进行摩擦磨损试验,考察其摩擦磨损特性,并观察磨痕的磨损形貌。试验表明,克氏原螯虾头胸部外骨骼中含有大量的钙元素,其中大部分以非晶结构存在,并含有少量碳酸钙;外骨骼表面具有凹坑、凸包和刚毛微观结构;螺旋夹板层具有蜂房结构,钙盐以针簇状分布在螺旋夹板层中;外骨骼硬度为0.503 GPa、弹性模量为18.019 GPa;摩擦因数呈跳跃式变化,最小时不足0.1,最大时接近0.8,磨损类型属于磨粒磨损。研究结果为农业机械触土部件表面防黏、耐磨的仿生设计提供理论依据。

摘要：为了量化分析介观尺度(0.1~1.0 mm)动物肢体的几何结构特征,使用计算机视觉技术代替人的视觉鉴别过程,本研究将具有介观尺度几何特征的典型臭蜣螂(Copris ochus Motschulsky)前足胫节端齿选为研究对象,提出了一种量化分析方法.该方法使用数码体视显微镜获取数字图像,使用软件Matlab作为程序的设计平台,设计程序排除数字图像中的干扰和噪声,并从图像中识别、检测,提取出臭蜣螂前足胫节端齿的外缘轮廓二维点云,以量化分析动物肢体的几何特征,最后验证该方法的准确性和可重复性.对于669×727像素的体视显微镜数字图像,对端齿外缘轮廓进行提取后,可获得约1 500外缘轮廓点,而且在灰度直方图示出的范围内选择不同的阈值没有明显改变曲线拟合的结果,证实了相对于传统方法,数字图像处理和计算机视觉分析方法能够准确有效地反映臭蜣螂的前足胫节端齿的外缘轮廓几何特征.

摘要：克氏原螯虾(Procambarus clarkii)栖息于中国南方潮湿、粘重的土壤中,体表具有优异的防粘脱附特性。为探索克氏原螯虾的体表防粘脱附机理,本研究用X-射线衍射仪、钨灯丝扫描电镜、扫描探针显微镜和X-射线荧光光谱仪分析观察了克氏原螯虾头胸部外骨骼的成分和表面微观结构;用场发射扫描电镜和透射电镜观察了克氏原螯虾头胸部外骨骼中间层和截面特征;用纳米压痕仪测量了克氏原螯虾头胸部外骨骼的硬度。结果表明:克氏原螯虾头胸部外骨骼均含有Ca、P、Na和Mg等元素,以非晶的矿物质相存在;在外骨骼的表面分布有凹坑和凸包结构,并且在凹坑和凸包的一侧有多尺度刚毛存在,在凸包、凹坑非光滑表层还具有细微的沟槽结构,现出特殊的非光滑表面。克氏原螯虾头胸部外骨骼分为上表皮、外表皮和内表皮,外表皮和内表皮由螺旋夹板层构成,在外表皮上靠近上表皮之处具堆叠钙盐层。纳米力学测试得出克氏原螯虾头胸部外骨骼坚硬,其硬度和弹性模量分别是0.503 GPa和18.019 GPa。本研究为水田作业机械触土部件表面的防粘减阻仿生设计提供参考和依据。

摘要：针对传统镇压辊粘附土壤、阻力大和壅土问题,基于穿山甲体表鳞片的多边形几何结构,分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊,制造材料选用Q235。以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率、土壤容重为指标,在室内土槽考察了土壤干基含水率分别为20%和28%时3种仿生几何结构镇压辊在载荷分别为300、500、700N下的镇压效果,并与传统镇压辊对比。结果表明:正12面体仿生镇压辊的种子粒距变化率最低,比传统镇压辊降低了33.19%,即防壅土效果最好,但它却没达到减粘降阻的效果。分别将超高分子量聚乙烯、搪瓷涂层这两种疏水材料分别用于正12面体仿生几何结构镇压辊,通过与传统镇压辊的对比试验证实,采用疏水材料的这两种仿生镇压辊均能达到减粘降阻的效果,镇压辊表面采用超高分子量聚乙烯时粘附土壤量最少,与传统镇压辊相比降低了33.22%;镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低,与传统镇压辊相比降低了17.87%。该研究结果可为农业机械触土部件表面减粘降阻及防壅土的仿生设计提供参考。