陆地资源的日益枯竭使我国将目光投向了海洋,并研制集矿机与管道提升相结合的采矿系统以适应商业化开采需要。该采矿系统在中试阶段发现集矿机履齿有严重的粘泥问题,导致履齿的有效剪切高度下降而打滑,影响了集矿机采矿效率,甚至威胁到整个采矿系统的安全运行。故研究深海底质土和履齿界面间的粘附特性以及仿生履齿自清洁性能对于提高深海集矿机机动性和采矿效率具有非常重要的工程意义。本研究基于离散元理论和土壤粘附理论,结合采自太平洋C-C矿区的深海底质土,针对其粘附特性,建立精确的细观粘附力学模型。利用离散元平台,对深海底质土细观力学参数进行标定;并结合深海集矿机的行走特性,采用离散元计算分析了不同波形参数对集矿机仿生履齿表面粘附力的影响规律,揭示集矿机履齿仿生自清洁机理,得到了自清洁效果最优的仿生履齿。最后,基于自行研制粘附特性动力试验平台研究仿生履齿行走特性,验证仿生履齿自清洁效果,为其应用于我国深海开采技术提供重要依据。本文取得的主要研究成果如下:1、基于采自太平洋C-C矿区的深海底质土,研究深海底质土颗粒与5种耐腐蚀金属(铝合金5052,不锈钢316L,钛合金STi80,钛TA2,钛合金TC4)界面之间的粘附特性。通过粘附附特性试验,研究深海底质土的宏观力学及粘附性能。单轴压缩试验结果表明:在轴向压力作用下,深海底质土沿与轴线约成45°方向发生剪切破坏,其受压应力-应变曲线呈现线性增加的趋势,故可以认为在小变形范围内,深海底质土受力破坏形式是脆性破坏。宏观粘附试验表明,在相同的表面粗糙度且近似光滑情况下,不同金属界面与深海底质土之间的表面粘附力大小顺序为5052<316L<STi80<TA2<TC4,这表明铝合金5052金属界面自清洁效果最好。2、基于JKR粘附本构模型对深海底质土-金属界面的粘附特性进行定量描述,并结合深海底质土-金属界面宏观粘附特性试验,开展深海土颗粒的常规细观力学参数和细观粘附参数的标定和参数灵敏度分析。DEM模拟结果与粘附特性试验结果在应力-应变响应、表面粘附力的吻合性均较好,由此实现了深海土颗粒的常规细观力学参数和细观粘附参数的标定。参数灵敏度分析表明:材料密度、泊松比和剪切模量等宏观参数对表面粘附力的影响较小;细观参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数,对表面粘附力影响也较小,而恢复系数和表面能对表面粘附力的影响较大。表面粘附力随着恢复系数的增加而逐渐降低;而表面粘附力随着表面能的增加而线性增加。3、基于深海集矿机行走特性和标定的细观粘附力学参数,采用离散元计算分析了不同波形参数和不同行走工况对集矿机仿生履齿表面粘附力的影响规律,揭示了集矿机履齿仿生自清洁机理,得到了自清洁效果最优的仿生履齿,即波形函数为Y=2sin(X/10)的仿生履齿界面的自清洁效果最佳。研究发现,与光滑平板相比,仿生履齿剪切深海底质土自清洁性能更好。在一定范围内,随着切削深度的增加,仿生履齿的表面粘附力先增大后减小。切削深度的增大会使得仿生履齿界面与深海底质土颗粒间有效接触面积增加;但当切削深度超过一定深度时,仿生履齿表面构造波形使得土颗粒与界面间有效接触半径减小,故而有效接触面积却减少了。该结果为深海集矿机在复杂工况下的行走提供依据。4、基于牛顿运动定律和界面粘附规律研究履齿表面深海底质土的运动状态,揭示仿生履齿自清洁机理。理论结果表明,仿生履齿波形角度θ=45°时,履齿与土壤界面表面粘附力最小。同时,通过自行研制粘附特性动力试验平台,开展深海底质土与直板履齿、仿生履齿界面的粘附特性试验,通过对比分析验证了自清洁效果最优的仿生履齿。为研究深海集矿机仿生履齿行走特性提供理论依据,从而提高集矿机可动性和采矿效率。