[发明专利]一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，可与仿生凸包结构结合，适用于水田机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。

背景技术

在现代农业机具地面机械触土部件与土壤接触过程中，降低与土壤接触时候的粘附力和阻力，一直是科技人员对现代沙土机械触土部件的研究方向。土壤与机具触土部件作用时候，土壤可能粘附积留在触土部件表面，产生较大的阻力。另外，机具触土部件在与土壤接触的过程中，会产生很大摩擦力，从而会产生较大的阻力，所以在研究现代农业机具触土部件的过程中，需要研究两个目标，一是增大表面的摩擦力，一是减少表面摩擦力，在特定的情况下，例如在水田机械触土部件作业时候，机具与土壤作用时有很大的粘附力和阻力，需要减粘抗阻，满足机械触土部件的作业要求。

在现代旱田农业机具仿生研究中，发现多种土壤动物体的表面具有多种微观非光滑的形态特征，将其放大到毫米和厘米尺度，根据其结构，设计出具有凸包的仿生几何表面机具被证实具有良好的降低摩擦力的作用，减少了土壤对机具的阻力，并且在一定程度上起到了降低磨粒磨损的性能，增加了机具使用的寿命，在现代农业生产中得到良好的推广。

不同的土壤动物为了适应其所在的生存环境，在进化过程中，体表为了防粘减阻，降低摩擦力等要求，逐渐演化出来了特殊的形态特征，虽然属于不同物种，但体表特征具有相似性。仿生学通过对生物体表面进一步分析研究，采用现代化技术手段，进一步优化处理，实现特定的技术功能和目标。生物体表面结构实现了人类无法完成的技术难题，运用仿生学原理解决现代农业工程中的难题是现代科技发展的一大进步，现代仿生学的研究和运用几乎涉及各个工程领域。

为了满足工程技术的需要，将土壤动物体的表面结构运用到现代农业机械设计中，从而将仿生学与农业机械设计与制造进行有效的结合。通过实验研究发现，自然界中的许多生物在挖掘和移动时候，具有高效的降低摩擦力的能力，并且降低能耗，例如土壤洞穴动物鼹鼠 (Scaptochirus moschatus)、蝼蛄 (Gryllotalpa orientalis Burmeister)、穿山甲 (Manis pentadactyla)、臭蜣螂 (Copris ochus Motschulsky)，克氏原螯虾 (Procambarus clarkia)，其用于挖掘土壤的肢体外缘轮廓，具有特殊的结构与形态，这些特殊的结构与形态使土壤动物在与土壤作用的时候最大限度的降低了摩擦力，最大限度地减小了能量消耗，提高了工作效率，这些特征恰好可以为农业机械的仿生设计提供很好的借鉴。

然而，目前公知的具有仿生几何结构的旱田农机具触土部件往往采用表面凸包形式，尽管有优异的作业效果，在实际推广中发现，对土壤的防粘减阻有一定的制约作用，我国广大水田地域，土壤不同，对于防粘减阻的需求也不同。针对上述问题，需要最大程度的优化农机具触土部件表面仿生几何结构形式，使其防粘减阻能力更强，从而使性能更加优异的仿生农机具触土部件在我国各个地区实现推广。

发明内容

本发明提供了一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，用于克服水田作业时土壤触土部件摩粘附力大、擦力大、能耗高的问题。

本发明的技术方案是：一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数D以n尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第i+1级尺度微刺分布在第i级尺度微刺的H_i处，H_i=2/3L_i(i=1,2,..n-1)，L_i+1=1/3L_i(i=1,2,..n-1)，L₁为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm；其中，H_i为第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的位置，L_i+1为第i+1级尺度微刺的顶点到第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点的距离，第1级尺度微刺底面圆半径R为5 mm至10mm，第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点表示第i+1级尺度微刺尖端角等分线与第i级尺度微刺的第一个接触的点。