土地耕作对于农业生产十分重要,长久以来我国实行翻耕作业,在提高农作物产量的同时对土地造成了破坏,导致风蚀、水蚀现象的加剧,并形成了坚硬的犁底层。保护性耕作做为一种少耕免耕技术开始在世界各国广泛应用,深松技术是保护性耕作的重要内容,深松铲是深松机具上疏松土壤的保护性耕作部件,然而现阶段深松作业中普遍存在作业阻力大,耗能严重,以及耕作效果不理想等问题,严重阻碍了深松技术的推广。现阶段研究中缺乏合适的深松铲结构优化方法。本研究针对以上问题,基于离散元法对深松铲的工作过程进行了研究,本文的主要研究内容及结论如下:(1)依据田间土壤特点,在原有离散元模型的基础上加入了平行粘结,建立了土壤颗粒的离散元模型。对田间土壤进行分析,由于土壤颗粒间毛管水形成的液桥力对深松铲的耕作阻力造成很大的影响,因此,在离散元线性接触模型的基础上加入平行粘结作用,用以反映颗粒间粘结作用。通过仿真三轴压缩试验与实验室三轴压缩试验进行对比从而校正土壤颗粒微观参数。采用校正后的土壤对深松铲的工作过程进行离散元法仿真,仿真分析在耕深为180 mm~260 mm以及耕作速度为1 m·s-1的条件下进行,同时,在相同条件下对深松铲进行田间试验验证。试验结果表明在该耕作条件下离散元法仿真误差范围为2.96%~14.95%,证明离散元法能较准确反映深松铲的工作过程。(2)基于棕熊爪趾结构,采用仿生学原理设计了耕深为300 mm的仿生深松铲,将该仿生深松铲与国标圆弧形深松铲在相同条件下进行对比,分析了仿生深松铲的减阻效果,对仿生深松铲的减阻原因和深松效果进行了分析。研究棕熊爪趾结构,提取爪趾曲线作为深松铲内外准线,在国标圆弧形深松铲的基础上设计了仿生深松铲,对所设计的仿生深松铲进行了有限元强度校核。为分析所设计深松铲的减阻效果,在作业速度为0.8 m·s-1,耕深分别为220 mm,260 mm和300 mm的条件下与国标圆弧形深松铲进行土槽对比试验,同时进行了离散元法仿真对比,得到仿生深松铲的减阻效率为10.99%~26.81%,并对仿生铲柄与仿生铲尖各自的减阻效果进行了研究,仿生铲尖的减阻率为3.43%~16.11%,仿生铲柄的减阻率为7.82%~12.75%。基于离散元法在土壤扰动,速度场,接触力场以及平行粘结场这几方面对比了基于棕熊爪趾的仿生深松铲与国标圆弧形深松铲的耕作效果,表明两者耕作效果相近,国标圆弧形深松铲耕作阻力较大的原因一是土壤颗粒在深松铲的推动下朝圆心方向运动造成土壤堆积,二是圆弧形深松铲对土壤有较大的提升效果。(3)对黑熊爪趾的松土过程进行分析,将入土角为30°时的黑熊爪趾曲线用于仿生深松铲的设计。采用三维扫描方法获取黑熊爪趾结构,基于离散元法对黑熊爪趾在不同入土角(0°~45°),不同作业深度(3 mm~18 mm)下的作业阻力,土壤孔隙率变化以及排出土量进行研究。研究表明水平阻力随着入土角的增加线性增长,垂直阻力随入土角的增加呈二次多项式关系。爪趾排出土量随入土角的增大先缓慢增加随后减小。作业阻力,排出土量以及孔隙率变化量随着工作深度的增加迅速增大。综合以上各因素,通过耕作综合评价系数对黑熊爪趾总的耕作性能进行评价,结果表明当爪趾入土角为30°时耕作效果最好。在此基础上,提取入土角为30°时的黑熊爪趾曲线,基于凯斯深松铲,设计了仿生深松铲,在耕深为350 mm,耕速为0.8m·s-1的条件下基于离散元法对比了该仿生深松铲与凯斯深松铲的耕作性能,耕作综合评价系数分析结果表明基于黑熊爪趾的仿生深松铲的耕作性能是凯斯深松铲的9.5倍。(4)研究了深松铲翼对耕作效果的影响,通过剪切效率对有翼与无翼深松铲的耕作效果进行评价。基于离散元法在不同入土角(23°~40.5°)和工作深度(225 mm~350 mm)的条件下对比了有翼深松铲与无翼深松铲在水平阻力和土壤扰动范围方面的不同,采用剪切效率对两种深松铲的耕作性能进行评价,结果表明无翼深松铲剪切效率最高点为当入土角为33.5°时,入土角对于有翼深松铲的影响不显著。通过不同工作深度下的研究发现深松铲增加双翼可增大切削效率。有翼与无翼深松铲在工作深度较浅时均有较高的切削效率。