作为木薯收获机具的关键部件,挖掘铲的挖掘阻力与适应性是影响木薯产业化发展的制约因素。本研究利用仿生减阻理论、仿生设计技术方法、离散元仿真及土壤破碎理论,设计了铲齿式仿生木薯挖掘铲,利用仿真分析与田间试验研究了挖掘铲的减阻效果,主要研究内容及结论如下:本研究选取黄毛鼠前足爪趾为仿生原型,通过冰冻切片法切取完整的黄毛鼠前足爪趾趾尖中切面,利用正置显微镜进行图像采集,采用MATLAB和ORIGIN软件对趾尖轮廓特征参数进行拟合。以传统挖掘铲的铲面尺寸为基础,利用逆向工程方法与仿生技术改进设计木薯挖掘铲铲齿,铲齿数目分别设计为8、10和12个,仿生铲齿的宽度分别为30、40和50mm,通过单因素试验设计方法,设计了9种铲齿式仿生挖掘铲。利用物理试验与仿真试验相结合的方法,标定不同深度的土壤颗粒间的模型参数,以及不同深度土壤颗粒与挖掘部件之间的模型参数,以“Hertz-Mindlin with JKR Cohesion”为接触模型,采用离散单元法横向比较铲齿式仿生木薯挖掘铲的减阻效果。结果表明:仿生挖掘铲受到的平均水平阻力小于传统挖掘铲,而铲齿宽度为40mm,铲齿数目为10的5型仿生挖掘铲减阻效果优于其它仿生挖掘铲。应用农用机械动力学参数无线测试系统对0型(原型挖掘铲)、3型(铲齿数为8,齿宽50mm)、5型(铲齿数为10,齿宽40mm)、7型(铲齿数为12,齿宽30mm)仿生挖掘铲进行田间试验,其中拖拉机后输出轴转速为540rpm、机具工作速度为1km/h,结果表明:各型仿生挖掘铲测得的阻力值均小于0型(原型)挖掘铲,其中安装5型挖掘铲的木薯收获机具测得的三点水平合力平均值为31796.85 N,而安装0型(原型)挖掘铲的木薯收获机具测得的三点水平合力平均值为35726.80 N,该条件下仿生木薯挖掘铲5型与木薯挖掘铲原型相比,阻力降低了11%。试验区内的明薯率为97.84%、断薯率为4.36%。在田间实际工作条件下,铲齿式仿生挖掘铲具有较好减阻效果,具有较好的应用前景。