本發(fā)明涉及一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，可與仿生凸包結(jié)構(gòu)結(jié)合，適用于水田機械觸土部件表面幾何結(jié)構(gòu)，屬于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機具地面機械觸土部件與土壤接觸過程中，降低與土壤接觸時候的粘附力和阻力，一直是科技人員對現(xiàn)代沙土機械觸土部件的研究方向。土壤與機具觸土部件作用時候，土壤可能粘附積留在觸土部件表面，產(chǎn)生較大的阻力。另外，機具觸土部件在與土壤接觸的過程中，會產(chǎn)生很大摩擦力，從而會產(chǎn)生較大的阻力，所以在研究現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機具觸土部件的過程中，需要研究兩個目標，一是增大表面的摩擦力，一是減少表面摩擦力，在特定的情況下，例如在水田機械觸土部件作業(yè)時候，機具與土壤作用時有很大的粘附力和阻力，需要減粘抗阻，滿足機械觸土部件的作業(yè)要求。

在現(xiàn)代旱田農(nóng)業(yè)機具仿生研究中，發(fā)現(xiàn)多種土壤動物體的表面具有多種微觀非光滑的形態(tài)特征，將其放大到毫米和厘米尺度，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，設(shè)計出具有凸包的仿生幾何表面機具被證實具有良好的降低摩擦力的作用，減少了土壤對機具的阻力，并且在一定程度上起到了降低磨粒磨損的性能，增加了機具使用的壽命，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到良好的推廣。

不同的土壤動物為了適應(yīng)其所在的生存環(huán)境，在進化過程中，體表為了防粘減阻，降低摩擦力等要求，逐漸演化出來了特殊的形態(tài)特征，雖然屬于不同物種，但體表特征具有相似性。仿生學(xué)通過對生物體表面進一步分析研究，采用現(xiàn)代化技術(shù)手段，進一步優(yōu)化處理，實現(xiàn)特定的技術(shù)功能和目標。生物體表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了人類無法完成的技術(shù)難題，運用仿生學(xué)原理解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中的難題是現(xiàn)代科技發(fā)展的一大進步，現(xiàn)代仿生學(xué)的研究和運用幾乎涉及各個工程領(lǐng)域。

為了滿足工程技術(shù)的需要，將土壤動物體的表面結(jié)構(gòu)運用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，從而將仿生學(xué)與農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造進行有效的結(jié)合。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，自然界中的許多生物在挖掘和移動時候，具有高效的降低摩擦力的能力，并且降低能耗，例如土壤洞穴動物鼴鼠(scaptochirusmoschatus)、螻蛄(gryllotalpaorientalisburmeister)、穿山甲(manispentadactyla)、臭蜣螂(coprisochusmotschulsky)，克氏原螯蝦(procambarusclarkia)，其用于挖掘土壤的肢體外緣輪廓，具有特殊的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，這些特殊的結(jié)構(gòu)與形態(tài)使土壤動物在與土壤作用的時候最大限度的降低了摩擦力，最大限度地減小了能量消耗，提高了工作效率，這些特征恰好可以為農(nóng)業(yè)機械的仿生設(shè)計提供很好的借鑒。

然而，目前公知的具有仿生幾何結(jié)構(gòu)的旱田農(nóng)機具觸土部件往往采用表面凸包形式，盡管有優(yōu)異的作業(yè)效果，在實際推廣中發(fā)現(xiàn)，對土壤的防粘減阻有一定的制約作用，我國廣大水田地域，土壤不同，對于防粘減阻的需求也不同。針對上述問題，需要最大程度的優(yōu)化農(nóng)機具觸土部件表面仿生幾何結(jié)構(gòu)形式，使其防粘減阻能力更強，從而使性能更加優(yōu)異的仿生農(nóng)機具觸土部件在我國各個地區(qū)實現(xiàn)推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，用于克服水田作業(yè)時土壤觸土部件摩粘附力大、擦力大、能耗高的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，微刺結(jié)構(gòu)基于分形理論依次按照分形維數(shù)d以n尺度的形式分布在仿生凸包結(jié)構(gòu)上，呈陣列排布。

所述微刺結(jié)構(gòu)采用圓錐結(jié)構(gòu)；第i+1級尺度微刺分布在第i級尺度微刺的hi處，hi=2/3li(i=1,2,..n-1)，li+1=1/3li(i=1,2,..n-1)，l1為第1級尺度微刺的頂點到第1級尺度微刺底面圓圓心的距離且取值為10mm至30mm；其中，hi為第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的位置，li+1為第i+1級尺度微刺的頂點到第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的接觸點的距離，第1級尺度微刺底面圓半徑r為5mm至10mm，第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的接觸點表示第i+1級尺度微刺尖端角等分線與第i級尺度微刺的第一個接觸的點。

所述分形維數(shù)d根據(jù)cantor集的分形方法確定。

所述n取值為2至5。

第i+1級尺度微刺與第i級尺度微刺夾角β為10°至80°，第1級微刺尖端角度α為30°至80°。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)合仿生凸包結(jié)構(gòu)用于水田機具觸土部件表面，仿生凸包結(jié)構(gòu)本身具有在旱田防粘減阻的能力，通過增加基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，機具觸土部件將在水田起到防粘減阻的能力，使得農(nóng)業(yè)機具能夠在水田里更好的作業(yè)。具有仿生多尺度的微刺機構(gòu)，在粘性較大水田，可以更好的防粘減阻，既保證了作業(yè)質(zhì)量，又降低了能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。所采用的基于分形理論的仿生多尺度微刺機構(gòu)，可以通過常規(guī)傳統(tǒng)的加工設(shè)備和工藝，基于我國現(xiàn)有的機械行業(yè)標準進一步機械加工處理，結(jié)合仿生凸包結(jié)構(gòu)，用于水田機具觸土部件表面，易于實現(xiàn)，而且大大增強了防粘減阻的能力，可以在全國大范圍的水田地區(qū)進行推廣使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)正視圖；

圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3是本發(fā)明結(jié)合凸包結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)運用到微型機水田旋耕刀面上的簡單示意圖

圖5是本發(fā)明結(jié)構(gòu)運用到微型機水田旋耕刀面上的簡單示意圖的局部放大示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于所述范圍。

實施例1：如圖1-5所示，一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，微刺結(jié)構(gòu)基于分形理論依次按照分形維數(shù)d=ln2/ln3=0.631以2尺度的形式分布在仿生凸包結(jié)構(gòu)上，呈陣列排布。

所述微刺結(jié)構(gòu)采用圓錐結(jié)構(gòu)；第2級尺度微刺分布在第1級尺度微刺的h1處，h1=2/3l1，l2=1/3l1，l1為第1級尺度微刺的頂點到第1級尺度微刺底面圓圓心的距離且取值為10mm至30mm（如可以取10mm，15mm，30mm等）；其中，h1為第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的位置，第1級尺度微刺底面圓半徑r為5mm至10mm（如可以取5mm，6mm，10mm等）；l2為第2級尺度微刺的頂點到第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點的距離，第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點表示第2級尺度微刺尖端角等分線與第1級尺度微刺的第一個接觸的點。h1為第1級尺度圓錐形微刺底面圓的圓心到第2級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離。

所述分形維數(shù)d根據(jù)cantor集的分形方法確定。

第2級尺度微刺與第1級尺度微刺夾角β為10°至80°（如可以取10°，20°，80°等），第1級微刺尖端角度α為30°至80°（如可以取30°，40°，80°等）。

實施例2：如圖1-5所示，一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，微刺結(jié)構(gòu)基于分形理論依次按照分形維數(shù)d=ln2/ln3=0.631以3尺度的形式分布在仿生凸包結(jié)構(gòu)上，呈陣列排布。

所述微刺結(jié)構(gòu)采用圓錐結(jié)構(gòu)；第2級尺度微刺分布在第1級尺度微刺的h1處，h1=2/3l1，第3級尺度微刺分布在第2級尺度微刺的h2處，h2=2/3l2，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l1為第1級尺度微刺的頂點到第1級尺度微刺底面圓圓心的距離且取值為10mm至30mm；其中，h1為第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的位置，h2為第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的位置，第1級尺度微刺底面圓半徑r為5mm至10mm；l2為第2級尺度微刺的頂點到第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點的距離，l3為第3級尺度微刺的頂點到第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點的距離，第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點表示第2級尺度微刺尖端角等分線與第1級尺度微刺的第一個接觸的點，第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點表示第3級尺度微刺尖端角等分線與第2級尺度微刺的第一個接觸的點。

所述分形維數(shù)d根據(jù)cantor集的分形方法確定。

第2級尺度微刺與第1級尺度微刺夾角β為10°至80°，第3級尺度微刺與第2級尺度微刺夾角β為10°至80°，第1級微刺尖端角度α為30°至80°。

如圖1所示，所述第一尺度微刺l1為點a到o1的距離，第二尺度微刺l2為點b1到d1的距離，第三尺度微刺l3為點c到d2的距離，第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的位置h1為點o1到o2的距離，第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的位置h2為點d1到o3的距離，圓錐形微刺尖端角度α為邊ae1與邊ae2的夾角（微刺尖端為圓錐形微刺圓錐頂點），第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺的位置夾角β為邊ao4與邊b2o4的夾角，r為仿生多尺度微刺第一尺度圓錐形微刺底部圓的半徑；

h1為第1級尺度圓錐形微刺底面圓的圓心到第2級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離，hi+1(i=1)為第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的接觸點到第i+1級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離。

其中，點a、b1、b2、c為多尺度微刺的頂點，點d1、d2為下一級尺度微刺在上一級尺度微刺上的接觸點，點e1、e2為第1級尺度圓錐形微刺底面圓投影出二維視圖上的兩點，點o1為第1級尺度圓錐形微刺底面圓的圓心，點o2和o3為仿生多尺度微刺的分維點（o2表示第2級尺度兩微刺截面角平分線的交點，o3表示第3級尺度兩微刺截面角平分線的交點），點o4為第2級尺度微刺與第1級尺度微刺夾角的頂點。

實施例3：如圖1-5所示，一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，微刺結(jié)構(gòu)基于分形理論依次按照分形維數(shù)d=ln2/ln3=0.631以4尺度的形式分布在仿生凸包結(jié)構(gòu)上，呈陣列排布。

所述微刺結(jié)構(gòu)采用圓錐結(jié)構(gòu)；第2級尺度微刺分布在第1級尺度微刺的h1處，h1=2/3l1，第3級尺度微刺分布在第2級尺度微刺的h2處，h2=2/3l2，第4級尺度微刺分布在第3級尺度微刺的h3處，h3=2/3l3，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l4=1/3l3，l1為第1級尺度微刺的頂點到第1級尺度微刺底面圓圓心的距離且取值為10mm至30mm；其中，h1為第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的位置，h2為第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的位置，h3為第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的位置，第1級尺度微刺底面圓半徑r為5mm至10mm；l2為第2級尺度微刺的頂點到第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點的距離，l3為第3級尺度微刺的頂點到第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點的距離，l4為第4級尺度微刺的頂點到第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的接觸點的距離，第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點表示第2級尺度微刺尖端角等分線與第1級尺度微刺的第一個接觸的點，第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點表示第3級尺度微刺尖端角等分線與第2級尺度微刺的第一個接觸的點，第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的接觸點表示第4級尺度微刺尖端角等分線與第3級尺度微刺的第一個接觸的點。h1為第1級尺度圓錐形微刺底面圓的圓心到第2級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離，hi+1(i=1,2)為第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的接觸點到第i+1級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離。

所述分形維數(shù)d根據(jù)cantor集的分形方法確定。

第2級尺度微刺與第1級尺度微刺夾角β為10°至80°，第3級尺度微刺與第2級尺度微刺夾角β為10°至80°，第4級尺度微刺與第3級尺度微刺夾角β為10°至80°，第1級微刺尖端角度α為30°至80°。

實施例4：如圖1-5所示，一種基于分形理論的仿生多尺度微刺結(jié)構(gòu)，微刺結(jié)構(gòu)基于分形理論依次按照分形維數(shù)d=ln2/ln3=0.631以5尺度的形式分布在仿生凸包結(jié)構(gòu)上，呈陣列排布。

所述微刺結(jié)構(gòu)采用圓錐結(jié)構(gòu)；第2級尺度微刺分布在第1級尺度微刺的h1處，h1=2/3l1，第3級尺度微刺分布在第2級尺度微刺的h2處，h2=2/3l2，第4級尺度微刺分布在第3級尺度微刺的h3處，h3=2/3l3，第5級尺度微刺分布在第4級尺度微刺的h4處，h4=2/3l4，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l4=1/3l3，l5=1/3l4，l1為第1級尺度微刺的頂點到第1級尺度微刺底面圓圓心的距離且取值為10mm至30mm；其中，h1為第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的位置，h2為第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的位置，h3為第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的位置，h4為第5級尺度微刺在第4級尺度微刺上的位置，第1級尺度微刺底面圓半徑r為5mm至10mm；l2為第2級尺度微刺的頂點到第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點的距離，l3為第3級尺度微刺的頂點到第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點的距離，l4為第4級尺度微刺的頂點到第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的接觸點的距離，l5為第5級尺度微刺的頂點到第5級尺度微刺在第4級尺度微刺上的接觸點的距離，第2級尺度微刺在第1級尺度微刺上的接觸點表示第2級尺度微刺尖端角等分線與第1級尺度微刺的第一個接觸的點，第3級尺度微刺在第2級尺度微刺上的接觸點表示第3級尺度微刺尖端角等分線與第2級尺度微刺的第一個接觸的點，第4級尺度微刺在第3級尺度微刺上的接觸點表示第4級尺度微刺尖端角等分線與第3級尺度微刺的第一個接觸的點，第5級尺度微刺在第4級尺度微刺上的接觸點表示第5級尺度微刺尖端角等分線與第4級尺度微刺的第一個接觸的點。h1為第1級尺度圓錐形微刺底面圓的圓心到第2級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離，hi+1(i=1,2,3)為第i+1級尺度微刺在第i級尺度微刺上的接觸點到第i+1級尺度兩微刺截面角平分線的交點的距離。

所述分形維數(shù)d根據(jù)cantor集的分形方法確定。

第2級尺度微刺與第1級尺度微刺夾角β為10°至80°，第3級尺度微刺與第2級尺度微刺夾角β為10°至80°，第4級尺度微刺與第3級尺度微刺夾角β為10°至80°，第5級尺度微刺與第4級尺度微刺夾角β為10°至80°，第1級微刺尖端角度α為30°至80°。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。