小麦是主要粮食作物,机械化收获产生的小麦籽粒损失和损伤严重影响粮食产量和质量,创新小麦脱粒原理、革新小麦脱粒部件是推动小麦收获机械降损增效技术升级的关键。自然界中的生物经过亿万年的进化,形成了对物料的低损伤、高效率的接触特性,为解决小麦降损增效脱粒提供了天然生物模本。本文基于小麦的物料属性和机械脱粒界面特征,以黄牛舌部乳突结构的界面接触力学特性为仿生依据,进行仿生脱粒机理及其关键部件研究,具有重要的科学意义和技术价值。小麦的几何特征和力学特性是研究脱粒界面接触特征的基础。本文研究发现,颖壳和籽粒形成麦穗单元,多个麦穗单元关于穗轴交错叠加排列,形成具有规则形貌的接触表面;麦穗与金属板的静摩擦因数为0.536,与硅胶板的静摩擦因数为0.670;茎秆下部的拉伸强度最大,中部次之,上部最小,茎秆拉伸的非线性特点突出,穗轴的拉伸强度从下向上逐渐减小。本文通过建立机械脱粒界面几何模型发现,在冲击、揉搓、梳刷及碾压等脱粒工艺下,脱粒部件通过能量传递使麦穗单元克服与穗轴的生物连接力,实现脱落;脱粒界面的接触方式不同,产生的脱粒效果不同,其中,冲击脱粒界面的效率最高,造成的籽粒损伤率和损失率最大,揉搓脱粒界面的脱净率最高,但脱粒效率相对较低。因此,解决脱净率和损伤率之间的矛盾,是创新脱粒机理和优化脱粒部件的关键。自然界中大量食草动物特别是反刍动物的舌部对植物具有低损高效接触功能。本文研究发现,黄牛作为典型的反刍动物,具有高频率、大喂入量的摄食特征;通过扫描电镜发现,黄牛舌尖规则分布大量丝状乳突,这些乳突与舌面呈34.69°～38.86°夹角,并向口腔方向倾斜,乳突顶部呈圆球状,整体轮廓呈圆锥状;本文采用力学建模方法,分别建立了黄牛舌尖表面的赫兹模型、断裂模型、静力学模型和粘着模型,分析了舌尖与物料的接触界面形成、扩展、稳定和分解机制,研究发现,丝状乳突有助于增强舌尖与物料接触强度,降低对物料的机械’损伤;本文通过对接触界面的动力学推导发现,丝状乳突在运动过程中具有降低功耗的特性。黄牛舌尖对物料的低损、高效接触力学特性,为探索仿生脱粒机理提供了有益的启迪。本文研究的仿生脱粒界面是以弓齿为结构主体、以仿生乳突结构为表面形态、以小麦侧面垂直接触为接触方式,具有降损增效功能的新型脱粒界面。本文在分析机械脱粒界面接触特征和舌尖表面低损高效接触力学特性的基础上,对脱粒界面优化出:（1）5种基本形态单元,即牛舌乳突、倾斜平顶类乳突、垂直球头类乳突、垂直平顶类乳突和弓齿柱面;（2）在仿生脱粒界面中,采用刚柔耦合机制实现麦穗和籽粒的差异性接触,合理调整麦穗和籽粒的能量分配,同步实现最大脱净率和最小损伤率;（3）仿生脱粒界面依靠形态仿生改善脱粒部件与麦穗的接触方式,依靠结构仿生改善麦穗单元的受力方式、籽粒的变形量以及脱粒界面的有效区域,基于形态和结构的耦合仿生原理,将传统的麦穗整体受力,改变为麦穗单元的微观精确受力,进而实现高效脱粒和低损伤脱粒的有机融合。仿生降损增效脱粒机理可以为小麦机械脱粒部件的仿生设计奠定理论基础,通过仿生脱粒界面优化实现降损增效脱粒。本文以黄牛舌尖表面低损高效接触机制为设计原理,以半喂入式切流脱粒滚筒为应用环境,设计了小麦联合收割机的关键部件—仿生弓齿。在本文的仿生设计中,将仿生齿形作为仿生弓齿的刚性单元,以舌尖丝状乳突为仿生齿形的设计原型,以麦穗几何特征为仿生齿形的设计边界条件。优化分析中,利用SolidWorks软件进行关键部件结构设计,利用Abaqus软件进行关键部件仿真优化。本文基于仿生齿形和仿生弓齿的功能而设计相关试验台,为验证仿生降损增效机理奠定硬件基础。通过仿生设计发现,与标准弓齿的作业机理相比,仿生弓齿前部和后部的两侧可以同时与麦穗接触,并对麦穗单元施加微观力矩作用,而标准弓齿的两侧在脱粒过程中几乎不发挥有效脱粒作用。通过仿真优化发现,仿生弓齿的柔性单元对小麦籽粒具有显著的改善应力分布和降低应力幅值的效果,降低机械化脱粒过程中的籽粒损伤率;柔性单元的弹性模量小于小麦籽粒的,碰撞发生瞬间,柔性单元吸收小麦籽粒的动能,转化成柔性单元的形变,促使小麦籽粒总能量降低,减小其自身形变损伤的能量来源。根据台架试验建立的仿生弓齿脱净率和损伤率回归方程发现,仿生弓齿能够同时提高脱净率、降低损伤率,当滚筒转速N=350 rpm时,最大脱净率为98.33%,此时小麦的损伤率为1.361%。在较低脱粒速度条件下,仿生弓齿能够实现较高脱净率,一种原因是,仿生弓齿的弓形结构能够对麦穗整体施加冲击作用,另一原因是,仿生齿形结构能够对麦穗的局部结构施加微观机械摩擦作用,当麦穗在冲击和摩擦双重作用下,所吸收的能量能够高效地转化成麦穗单元的脱落功。本文通过台架试验表明,仿生弓齿具有良好的降损增效脱粒功能。