仿生设计与研究：用于降低单幅宽幅犁刀犁牵引力的犁体表面

基于穿山甲鳞片和鲨鱼皮板结构设计的仿生犁体表面可降低13.06%牵引力并提升5.29%土壤扰动面积，通过EDEM模型验证与Box-Behnken响应面优化实现精准设计。

周浩|秦志宇|王学珍|王胜胜|李康泰|邓国亮|严海波

河南科技大学农业装备工程学院，洛阳471003，中国

摘要

为了降低犁体的牵引力和能耗，设计了一种仿生犁体表面（BPBS），其耦合元素采用了穿山甲鳞片和鲨鱼盾鳞的结构。通过EDEM建立了犁体与土壤的相互作用模型，并在沙壤土条件下通过实验室土壤箱实验验证了其准确性。该模型被用于优化仿生犁体表面。设计了单因素实验、最陡上升法实验和Box-Behnken实验，以研究BPBS的横向间距、纵向间距、安装角度、鳞片长度和仿生结构高度对牵引力和土壤扰动面积的影响。结果表明，模拟值与实测值的误差均小于5.8%。BPBS的横向间距、纵向间距、安装角度和仿生结构高度对这两个指标有显著影响。根据Box-Behnken响应面实验得到的最优参数为：横向间距23毫米，纵向间距15毫米，安装角度30度，仿生结构高度14毫米。与传统犁体相比，采用这些参数的BPBS使牵引力降低了13.06%，同时土壤扰动面积增加了5.29%。预测值与实测值的误差较小。BPBS的设计实现了在不影响耕作质量的前提下降低牵引力的研究目标。

引言

土壤耕作质量直接影响作物生长水平。这一过程需要使用多种耕作工具（Azimi-Nejadian等，2019；Phlitz等，2024）。在所有农业机械中，由于犁体具有良好的翻土和覆盖性能，因此被广泛使用（Mattetti等，2017）。随着农业机械化水平的不断提高，宽幅犁体得到了广泛应用。宽幅犁体能够一次作业覆盖更广阔的区域，有效减少了拖拉机反复作业对土壤的压实风险（Wang等，2024）。然而，传统犁体的较大耕作宽度也导致总牵引力显著增加。重要的是，耕作过程中土壤与犁体之间的滑动摩擦占总牵引力的25-28%（Adam等，2021）。由于能耗与耕作阻力直接相关，宽幅犁体的耕作需要大量能量（Zhang等，2024）。这与可持续农业发展的理念相悖。因此，减少由牵引力引起的能耗成为一个亟待解决的问题。

仿生学是一门将各种生物的特性应用于现代技术设备并赋予新技术生命的科学（Song等，2022）。许多学者以不同挖土生物为原型，基于结构仿生学和表面仿生学的角度，为传统农业土壤耕作工具设计了创新方案（Hong等，2006；Ren等，1999；Zhu和Tong，2003）。受蜣螂的启发，Soni、Salokhe和Nakashima（2007）在犁体上开发并配置了超高分子量聚乙烯凸起作为仿生结构。研究表明，当凸起的高度与直径比为0.25时，在粘性土壤中牵引力降低了36%，这是通过打破土壤与犁体的连续接触以及利用UHMW-PE的低表面能和低摩擦系数实现的。Sun等（2020）开发了一种模仿熊爪的仿生开沟器，与传统开沟器相比，具有更低的阻力 and 能耗。基于仿生表面改性和表面处理的研究，Li等（1996）设计了一种减少粘附和阻力的仿生犁壁。Wang等（2024）设计的受蝉启发的仿生深耕工具，与普通凿形深耕工具相比，牵引力降低了17.7%。Zhang等（2022）基于野猪的翻土特性，对仿生挖沟铲进行了理论机械分析和设计，并发现其阻力降低率为24.29%。

以往的研究很少考虑宽幅犁体的仿生设计和结构改进，这阻碍了进一步降低犁体牵引力的进展。离散元方法（DEM）常被用来建立高精度仿真模型、模拟耕作过程、分析耕作阻力的变化以及评估仿生结构设计的合理性（Qiao等，2024；Ucgul等，2015；Wang等，2025；Zeng等，2017）。Wang等（2024）使用EDEM和实验室土壤箱实验评估了一种新型蝉启发式深耕器的性能，发现与传统设计相比，该工具使牵引力降低了17.7%，土壤松土效率提高了17.37%。Jiang等（2024）将蝗虫的颚部结构集成到开沟器中。通过DEM仿真（Hertz-Mindlin与JKR模型），阐明了曲线/放大效应。田间试验表明，放大1000倍的No.1结构使播种稳定性提高了42.10%。本研究选择穿山甲鳞片和鲨鱼盾鳞作为仿生耦合元素，设计了一种仿生犁体表面（BPBS），具体目标如下：（1）使用EDEM建立犁体与土壤的相互作用模型，并通过土壤箱实验验证其准确性（以牵引力和土壤扰动面积为指标）；（2）通过单因素实验筛选BPBS的关键结构参数；（3）使用最陡上升法和Box-Behnken响应面实验优化关键参数，以实现降低牵引力的同时保证土壤扰动质量；（4）基于田间实验结果验证最优BPBS的性能。

节选内容

仿生原型与结构设计

穿山甲是一种生活在土壤中的穴居动物。其体表的鳞片排列成非均匀的几何网络图案，具有交替的纵向棱纹和横向沟槽。这种不规则排列的鳞片构成的不光滑表面可以有效减少穿山甲在土壤中移动时遇到的阻力和粘附（Ma等，2008）。这种结构通过中断土壤与穿山甲身体之间的水膜连续性来发挥作用。

DEM模型验证

表3展示了传统犁体的牵引力数据。不同速度下的模拟误差和土壤箱实验误差分别为4.7%、5.4%和5.8%。模拟结果与实验结果之间的相对误差很小，表明两者高度一致。

图11显示了模拟和实验室土壤箱实验得到的土壤扰动面积数据。与Ucgul、Fielke和Saunders（2020）的研究结果一致，DEM和土壤箱实验得到的土壤扰动面积

结论

本研究以穿山甲鳞片和鲨鱼盾鳞的结构为原型，设计了一种仿生犁体表面（BPBS），以降低单宽幅犁体的牵引力和能耗。通过EDEM建立了犁体与土壤的相互作用模型，并通过测量牵引力和土壤扰动面积验证了其准确性。该模型用于探讨BPBS各种结构参数对这两个指标的影响

作者贡献声明

周浩：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、数据管理。秦志宇：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、数据管理。王学珍：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资源获取、方法论、调查、资金筹措、数据分析、概念化。王胜胜：验证、方法论、调查。李康泰：验证、调查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32401718）和工业和信息化部工业基础重建与制造业高质量发展专项项目的支持。