本文是一篇农业论文，本文以狗獾犬齿和芯铧式开沟器为研究对象，对芯铧式开沟器的主要功能曲面芯铧面进行仿生学重构设计。将狗獾犬齿的 4 条曲率渐变式生物曲线用于芯铧式开沟器脊线，设计出 4 个曲率渐变式开沟装置 SBOD1~4。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
开沟器是农业播种机械上必不可少的触土部件，它在播种机工作时，开出种沟，引导种子和肥料进入沟内。开沟器的工作质量直接决定了种沟的形式，也影响着播种机的播种质量。开沟器在进行设计和制造时，必须做到以下几点：1）种沟深浅一致，沟形整齐，开沟深度能在一定范围内调节，以适应不同作物的播深要求。2）开沟时不乱土层，不能将下层湿土翻至土壤表面，也不能使干土落入沟底，应将种子和肥料引导至湿土上。3）行内种子分布均匀，种子不飞散而应都落入沟底。4）应有一定的回土作用。使细湿土将种子全部覆盖，以利于种子发芽。5）要有良好的人土性能和切土能力，工作可靠。不易被杂草、残茬和土块堵塞。6）结构简单，工作阻力小，调整、维护方便[1]。
开沟器属于农业播种机械上一个典型的非标准件，根据地区和播种作物的不同，开沟器的形状和尺寸都具有明显的差异。但是，绝大多数开沟器都可以看作从图 1.1 所示的 8种基本的开沟器或从其基础上改进而来。
1.2 开沟器国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
为了从宏观上分析认识国内对开沟器的研究历史和研究现状，检索中国知网 1990-2020 近 30 年内收录的国内研究开沟器的共计 170 多篇相关文献，通过 Citespace 软件对所有文献的关键词和摘要进行聚类分析。
结合附录 1 可知，国内关于开沟器的代表性研究成果非常丰富，其中，代表性成果如下：赵淑红等[9]针对播种深施肥时，播种开沟器回土能力差，导致播种深度难以控制，结合滑推工作原理，设计出一种具有上宽下窄结构和良好回土性能的新型滑推式开沟器。利用遗传算法 NSGA-Ⅱ对土槽试验结果进行数据优化处理，得出滑推式开沟器最优结构参数：下宽度为 30 mm、滑推高度 150 mm、上宽度为 54 mm 和滑推角为 48°。贾洪雷等[8]通过“V ”形种沟成因分析，设计了一种适用于大豆垄上双行种植模式的仿形滑刀式开沟器；可实现开沟、沟底镇压和仿形功能，进而构建底部紧实、覆盖土壤松软的优良种床。通过 Box-Behnken Design 响应面优化法进行土槽试验得出最优工作参数组合：载荷大小为 689 N ，开沟角度为 40.43°，前进速度为 2.12 m/s ，开沟深度为 51.62 mm 。仿形滑刀式开沟器作业效果优于双 V 型筑沟器和圆盘开沟器，可以提高种床质量和播深一致性，且能使种床紧实，利于种子出苗。
刘晓鹏等[10]针对冬油菜机械化播种需开畦沟避免渍害的要求，解决长江中下游地区土壤黏重板结、含水率波动大，导致播种时同步开畦沟的稳定性难以保 证的实际问题，提出了一种配合铧式前犁完成开畦沟功能的组合式船型开沟器。根据土壤切削、挤压和犁体曲面形成原理，分析了组合式船型开沟器的触土曲面力学特性，确定了其主要结构参数。开展了开沟性能比较试验，试验结果表明：组合式船型开沟器均开出沟宽和沟深的稳定性系数均达 90% 以上。种床带厢面宽度稳定，宽度达 2039. 0~2051. 5 mm，满足油菜种植开畦沟的农艺要求。
第 2 章 仿生原型与开沟器设计
2.1 仿生原型选择与脊线获取
狗獾（学名：Meles）是食肉目、鼬科、狗獾属的一种哺乳动物。研究[59-63]发现，獾牙齿系发达、犬齿尤为尖锐锋利，长期的自然进化使得其牙齿以最低的切削阻力撕裂食物。齿尖部分极为锋利和坚硬，在其捕食中起到了关键性作用，对食物有较好的穿透能力、刺入能力和撕裂能力。依据狗獾犬齿设计的仿生圆盘锯片具有较好的结构特性及力学性能，且能有效地减小锯切过程中的锯切阻力；根据狗獾牙齿设计的仿生切割刀具可以明显降低切割阻力和切割功耗。狗獾在捕食过程中，主要由犬齿将猎物刺穿并撕裂，犬齿对猎物的作用可以分为四个过程：预剪切（剪破猎物的表皮）—剪切（剪破猎物的真皮）—挤压（将强度相对较低的皮下组织挤压至两侧）—扩张（将猎物彻底撕裂）。芯铧式开沟器在作业过程中，刃口对土壤的作用过程较为复杂，但该过程为单向直线破坏性运动，与犬齿捕食过程十分相似：依靠开沟器前端芯铧面的剪切作用将相邻土层土壤壁面剪破；随着开沟器的运动，芯铧面进一步将稳定的土壤中的力链[64]结构破坏，使原本相对稳定的土壤具备一定的流动性；依靠芯铧面的挤压作用，将流动的土壤挤压至芯铧面的两侧；对流动的土壤进一步挤压，逐渐扩张出理想的沟形。由上述分析可知，将狗獾犬齿用于开沟器的设计具有一定的参考价值。如果将开沟前的土壤看作连续的塑形体，那么开沟器对土壤的作用过程十分接近狗獾犬齿将猎物撕裂的过程。
本研究基于王慧鑫[58]对狗獾犬齿的研究结论，以中国东北地区人工养殖的 5 龄獾为对象，其体重 12.78kg，健康无疾病。麻醉后取出獾口右下方的犬齿并置于浓度为 28%的酒精溶液中进行消毒处理，在浸泡 2~3h 后用蒸馏水反复清洗 20-30 次，放在烧杯中在室温条件下自然风干。为了获得清晰的 3D 点云数据，使用显影剂对其表面进行上色处理。
2.2 滑动开沟过程中阻力模型的建立
因土壤是由大量不规则颗粒组成的复杂体系[71]，土壤和开沟装置间形成了土壤-机器系统，二者之间的颗粒跃移运动关系非常复杂[72]，很难进行量化，将开沟器前侧一定体积的土壤看作连续塑性体[73, 74]，对塑性体进行力学分析：
芯铧式开沟器在开沟的过程中切削土壤，同时粉碎、挤压被切削土壤。因此，计算开沟过程中芯铧式开沟器与土壤相互作用所引起的耕作阻力，可将整个开沟阻力模型分解为三部分：芯铧面对土壤切削、土壤沿芯铧面流动以及土壤与芯铧面间的滑移摩擦[75, 76]。
（1）芯铧面对土壤的切削过程中产生的阻力 SBOD 刃口是一条方程式驱动的仿生曲线，从曲线起点开始，到终点结束。因此，土壤深度沿开沟器刃口变化。另一方面，由于开沟装置在土壤中的运动导致土壤在被动破坏模式下发生破坏，要计算使宽度为db 、深度为h 的单元土楔破坏所需力，应考虑三种力，即：由于切割土壤产生的牵引力-cdP ，、单元土楔重力- dW ，单元土楔抗剪强度- dR 。
（2）土壤沿芯铧面流动产生的动压力
被切割后的土壤在芯铧面上的运动是连续运动，可以动量原理计算土壤位移对芯铧面产生的力。将芯铧面附近空间定义为控制体，控制体的外面定义为控制面。施加在控制容积上的外力合力的冲量，与施加在沿着芯铧表面的土体上的外力合力的冲量相同。将进入控制体积的粒子的初始动量和时间间隔内外力的冲量矢量相加，可以得到粒子离开控制体积的最终动量。
第 3 章 土槽试验 ............................ 23
3.1 试验方案................................ 23
3.2 试验主要仪器及被测量值 .............................. 24
第 4 章 基于离散元法对开沟作业仿真试验........................ 33
4.1 离散元素法及 EDEM 简介 ................................. 33
4.2 开沟器作业过程的离散元仿真................................... 34
第 5 章 土壤扰动和作业效果精量化研究.......................... 45
5.1 土壤扰动..................................... 45
5.1.1 传统土壤扰动评价体系.................................. 45
5.1.2 土壤扰动面积程序设计................................ 46
第 5 章 土壤扰动和作业效果精量化研究
5.1 土壤扰动
根据 James B. Barr 在 2018 年提出的理论，在从土壤运动的角度对开沟器设计优化时，主要应该从以下三个方面[31]进行考虑：
（1）土壤破坏机理，从具有三维（正向 X、横向 Y 和垂直 Z）土壤运动的新月形破坏带到二维（正向和横向）土壤运动的临界深度。
（2）开沟器作业后的犁沟剖面形状以及侧向土壤抛掷。
（3）垂直土壤层的混合。 国内外对于土壤破坏机理和垂直方向上土壤层混合的研究较多，本文主要从侧向土壤抛掷以及犁沟剖面形状的角度研究，并以此作为评价 CCSO 和 SBOD性能的重要指标。
5.1.1 传统土壤扰动评价体系
研究表明，当根据特定土壤条件进行校准时，DEM 不仅能够有效地预测与分析模型相似的相关程度的作业阻力，还能够预测土壤流动和运动，从而克服分析模型和经验模型的局限性[32, 107, 108]。因此，可以通过离散元仿真的后处理结果来评判触土部件对土壤扰动的影响。开沟器作业时，衡量开沟器性能的 1 个重要指标是土壤扰动，在其它指标相同的条件下，开沟器在作业时造成的土壤扰动量越大，开沟器的性能越差。在之前的研究中，评价开沟器对土壤扰动的方法主要包括以下 3 种：
（1）统计耕作层测量区域内土壤颗粒数随时间的变化规律，依次评价深松铲造成的土壤扰动，颗粒数目变化量越大，扰动越严重[109]。
（2）通过标尺工具和仪器测量方法对沟形轮廓参数（理论沟深、实际沟宽、理论沟宽、实际
