基于螳螂前足砍切机理的仿生圆盘切割刀具优化设计方法

Research on working principles and design methods of disc cutters plays an important role in process of corn harvest mechanization. According to the study on foreleg of praying mantis, the cutting motion of its tibia is similar as corn stalks-cutting mechanism of disc cutter, hence the shape and arrangement of tibia spines are valuable to bionic design of energy-saving and drag reduction of disc cutter. Bionic research method will be adopt in this project to develop new ideas and methods of disc cutter by taking praying mantis’s foreleg as a prototype. The functional mechanism of low resistance and power tibia showed in prey process will be investigated by analyzing the shape, geometrical structure, arrangement and properties of tibia spines, which can be used in the design of disc cutters. In this study bionic disc cutters with lower power and resistance will be built and systematic design theory and methods of the bionic disc cutter will also be put forward. The insight gained is expected to provide theoretical and technological foundation for high efficiency and energy saving design and application of bionic parts of agricultural machines.

对圆盘切割刀具工作机理与设计方法的研究在促进玉米收获机械化进程中起着重要作用。通过对螳螂前足的研究发现，螳螂胫节的砍切动作行为与圆盘切割刀具切割茎秆的作业在机理上有很大相似性，其胫节体刺的结构与排列方式可为圆盘切割刀具减阻降耗的仿生设计提供新的研究思路。本项目拟采用仿生研究方法，以具有典型特征的螳螂前足为模仿对象，探讨圆盘切割刀具的仿生设计思路和方法。通过对胫节刺的形状、结构、排列方式和材料特性的研究，揭示其在砍切猎物过程中低阻力和低功耗特性的作用机理，并将其运用到圆盘切割刀具的设计中，制备出一种减阻降耗的仿生圆盘切割刀具，并在此基础上总结圆盘切割刀具的切割机理与影响因素，探索圆盘切割刀具的仿生设计原理和方法，为农业机械仿生部件的高效节能设计及应用提供理论依据和技术参考。

本项目以螳螂前足为研究对象，综合测试螳螂前足胫节、腿节及体刺的形状、结构、排列方式、材料性能等，获取了螳螂胫节和腿节在砍切猎物过程中减阻降耗的运动机制。项目采用了仿生研究方法，以螳螂前足的形状，体刺分布与几何结构为设计原型，展开了对茎杆切割刀具的仿生设计。工作中利用电镜测量与纳米力学测试，揭示了胫节、腿节及体刺表面的微观结构与机械性能之间的协同作用，分析了螳螂坎切动作中低阻力和低功耗特性的作用机理，并将仿生齿形几何结构添加到切割刀具的刃口设计中，加工出了一系列仿生齿形切割刀具。同时利用数值模拟方法、土槽试验及田间试验对仿生刀具的切割效果进行了验证分析。综合研究结果，得出了仿生切割刀具的工作阻力与功耗均低于传统切割刀具的结论，并且该工作归纳了仿生切割刀具的切割机理与影响因素，进一步完善和丰富了切割刀具的仿生设计理论。项目资助发表学术论文5篇，其中SCI收录3篇，EI收录论文2篇，申请发明专利2件，已授权1件；培养研究生4名，其中已获得博士学位2名，获硕士学位1名，申请硕博连读1名。全面完成了项目的预期研究工作。