改变土壤微形貌和压实土壤的滚动触土部件集成仿生表面

瞄准国际科技前沿，针对农机滚动触土部件的防粘减阻和垄作模式土壤表面微形貌加工的需求，学习土壤洞穴动物表面几何结构特征功能，构建几何结构与UHMWPE材料集成的滚动触土部件仿生防粘减阻和垄作模式土壤表面微形貌加工的仿生表面，探索几何结构与UHMWPE材料及仿生防粘减阻与垄作模式土壤表面微形貌加工的协同效应，进行集成创新，将生物防粘减阻和土壤表面微形貌加工在仿生实现上由"形似"向"神似"发展；揭示几何结构表面与UHMWPE材料集成的滚动触土部件仿生表面的防粘减阻行为和垄作模式土壤表面微形貌特征，确立仿生防粘减阻和土壤微形貌加工的仿生表面设计原则，建立适合不同土壤性状、运行条件和土壤表面微形貌要求的集成仿生表面之理论与方法；获得仿生表面优化设计模型和适合不同土壤性状、运行条件和垄作模式土壤微形貌要求的优化仿生表面，达到能够通过改变仿生表面的结构参数来改变农艺对土壤性状和表面微形貌的要求。

针对农机触土部件的防粘减阻和垄作模式土壤表面微形貌加工的需求，学习土壤洞穴动物表面几何结构特征功能，运用有限元分析方法构建仿生几何结构的农机部件表面，探索仿生几何结构与UHMWPE材料及仿生防粘减阻与垄作模式的协同效应，建立适合不同土壤性状、运行条件和土壤耕作要求的集成仿生表面之理论与方法。获得仿生表面优化设计模型和适合不同土壤性状、运行条件和垄作模式要求的优化仿生表面，达到能够通过改变仿生表面的结构参数来优化设计农机触土部件。研究中运用MATLAB图像处理和计算机视觉技术分析动物肢体（如蜣螂）外缘轮廓几何结构的信息，提取介观尺度动物肢体外缘轮廓的二维点云，检测动物肢体的外缘轮廓点，将轮廓坐标数据储存到计算机数据库。该方法可方便地应用于定量分析其它微小动物肢体的几何特征，丰富了逆向工程理论在仿生研究领域中的应用，为介观尺度动物肢体的分析和研究提供了技术和方法。基于对动物器官结构特征的学习，将仿生几何结构运用到农机具设计中，优化设计出了几种用于土壤表面微形貌加工的凸齿镇压滚动部件和铲板及用于耕整地作业的切茬部件。研究表明，UHMWPE材料与滚动触土部件的集成创新而成的滚动触土部件可在更好地保证牵引稳定性的前提下，能增强其仿生凸齿尖端处的脱土潜力，并保障对土壤表面所加工微形貌的强度，进一步提高所加工微坑的深度和容积，显著提高了土壤表面微形貌加工的作业效率和质量。同时，仿生切茬部件的结构强度与工作性能亦显著高于传统部件。本研究工作丰富了农业机械触土部件的仿生研究内容，为提高农业机械触土部件的节能增效功能提供了理论和技术依据，总体研究达国内先进水平。发表学术论文11篇，其中SCI论文3篇，EI论文 4篇，申请国家发明专利5件，其中授权发明专利2件。