一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构的制作方法

本发明涉及一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，可与仿生凸包结构结合，适用于水田机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。

背景技术：

在现代农业机具地面机械触土部件与土壤接触过程中，降低与土壤接触时候的粘附力和阻力，一直是科技人员对现代沙土机械触土部件的研究方向。土壤与机具触土部件作用时候，土壤可能粘附积留在触土部件表面，产生较大的阻力。另外，机具触土部件在与土壤接触的过程中，会产生很大摩擦力，从而会产生较大的阻力，所以在研究现代农业机具触土部件的过程中，需要研究两个目标，一是增大表面的摩擦力，一是减少表面摩擦力，在特定的情况下，例如在水田机械触土部件作业时候，机具与土壤作用时有很大的粘附力和阻力，需要减粘抗阻，满足机械触土部件的作业要求。

在现代旱田农业机具仿生研究中，发现多种土壤动物体的表面具有多种微观非光滑的形态特征，将其放大到毫米和厘米尺度，根据其结构，设计出具有凸包的仿生几何表面机具被证实具有良好的降低摩擦力的作用，减少了土壤对机具的阻力，并且在一定程度上起到了降低磨粒磨损的性能，增加了机具使用的寿命，在现代农业生产中得到良好的推广。

不同的土壤动物为了适应其所在的生存环境，在进化过程中，体表为了防粘减阻，降低摩擦力等要求，逐渐演化出来了特殊的形态特征，虽然属于不同物种，但体表特征具有相似性。仿生学通过对生物体表面进一步分析研究，采用现代化技术手段，进一步优化处理，实现特定的技术功能和目标。生物体表面结构实现了人类无法完成的技术难题，运用仿生学原理解决现代农业工程中的难题是现代科技发展的一大进步，现代仿生学的研究和运用几乎涉及各个工程领域。

为了满足工程技术的需要，将土壤动物体的表面结构运用到现代农业机械设计中，从而将仿生学与农业机械设计与制造进行有效的结合。通过实验研究发现，自然界中的许多生物在挖掘和移动时候，具有高效的降低摩擦力的能力，并且降低能耗，例如土壤洞穴动物鼹鼠(scaptochirusmoschatus)、蝼蛄(gryllotalpaorientalisburmeister)、穿山甲(manispentadactyla)、臭蜣螂(coprisochusmotschulsky)，克氏原螯虾(procambarusclarkia)，其用于挖掘土壤的肢体外缘轮廓，具有特殊的结构与形态，这些特殊的结构与形态使土壤动物在与土壤作用的时候最大限度的降低了摩擦力，最大限度地减小了能量消耗，提高了工作效率，这些特征恰好可以为农业机械的仿生设计提供很好的借鉴。

然而，目前公知的具有仿生几何结构的旱田农机具触土部件往往采用表面凸包形式，尽管有优异的作业效果，在实际推广中发现，对土壤的防粘减阻有一定的制约作用，我国广大水田地域，土壤不同，对于防粘减阻的需求也不同。针对上述问题，需要最大程度的优化农机具触土部件表面仿生几何结构形式，使其防粘减阻能力更强，从而使性能更加优异的仿生农机具触土部件在我国各个地区实现推广。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，用于克服水田作业时土壤触土部件摩粘附力大、擦力大、能耗高的问题。

本发明的技术方案是：一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数d以n尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第i+1级尺度微刺分布在第i级尺度微刺的hi处，hi=2/3li(i=1,2,..n-1)，li+1=1/3li(i=1,2,..n-1)，l1为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm；其中，hi为第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的位置，li+1为第i+1级尺度微刺的顶点到第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点的距离，第1级尺度微刺底面圆半径r为5mm至10mm，第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点表示第i+1级尺度微刺尖端角等分线与第i级尺度微刺的第一个接触的点。

所述分形维数d根据cantor集的分形方法确定。

所述n取值为2至5。

第i+1级尺度微刺与第i级尺度微刺夹角β为10°至80°，第1级微刺尖端角度α为30°至80°。

本发明的有益效果是：本发明结合仿生凸包结构用于水田机具触土部件表面，仿生凸包结构本身具有在旱田防粘减阻的能力，通过增加基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，机具触土部件将在水田起到防粘减阻的能力，使得农业机具能够在水田里更好的作业。具有仿生多尺度的微刺机构，在粘性较大水田，可以更好的防粘减阻，既保证了作业质量，又降低了能耗，节约了生产成本。所采用的基于分形理论的仿生多尺度微刺机构，可以通过常规传统的加工设备和工艺，基于我国现有的机械行业标准进一步机械加工处理，结合仿生凸包结构，用于水田机具触土部件表面，易于实现，而且大大增强了防粘减阻的能力，可以在全国大范围的水田地区进行推广使用。

附图说明

图1是本发明结构正视图；

图2是本发明结构俯视图；

图3是本发明结合凸包结构的结构示意图；

图4是本发明结构运用到微型机水田旋耕刀面上的简单示意图

图5是本发明结构运用到微型机水田旋耕刀面上的简单示意图的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-5所示，一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数d=ln2/ln3=0.631以2尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第2级尺度微刺分布在第1级尺度微刺的h1处，h1=2/3l1，l2=1/3l1，l1为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm（如可以取10mm，15mm，30mm等）；其中，h1为第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的位置，第1级尺度微刺底面圆半径r为5mm至10mm（如可以取5mm，6mm，10mm等）；l2为第2级尺度微刺的顶点到第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点的距离，第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点表示第2级尺度微刺尖端角等分线与第1级尺度微刺的第一个接触的点。h1为第1级尺度圆锥形微刺底面圆的圆心到第2级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离。

所述分形维数d根据cantor集的分形方法确定。

第2级尺度微刺与第1级尺度微刺夹角β为10°至80°（如可以取10°，20°，80°等），第1级微刺尖端角度α为30°至80°（如可以取30°，40°，80°等）。

实施例2：如图1-5所示，一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数d=ln2/ln3=0.631以3尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第2级尺度微刺分布在第1级尺度微刺的h1处，h1=2/3l1，第3级尺度微刺分布在第2级尺度微刺的h2处，h2=2/3l2，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l1为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm；其中，h1为第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的位置，h2为第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的位置，第1级尺度微刺底面圆半径r为5mm至10mm；l2为第2级尺度微刺的顶点到第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点的距离，l3为第3级尺度微刺的顶点到第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点的距离，第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点表示第2级尺度微刺尖端角等分线与第1级尺度微刺的第一个接触的点，第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点表示第3级尺度微刺尖端角等分线与第2级尺度微刺的第一个接触的点。

所述分形维数d根据cantor集的分形方法确定。

第2级尺度微刺与第1级尺度微刺夹角β为10°至80°，第3级尺度微刺与第2级尺度微刺夹角β为10°至80°，第1级微刺尖端角度α为30°至80°。

如图1所示，所述第一尺度微刺l1为点a到o1的距离，第二尺度微刺l2为点b1到d1的距离，第三尺度微刺l3为点c到d2的距离，第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的位置h1为点o1到o2的距离，第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的位置h2为点d1到o3的距离，圆锥形微刺尖端角度α为边ae1与边ae2的夹角（微刺尖端为圆锥形微刺圆锥顶点），第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺的位置夹角β为边ao4与边b2o4的夹角，r为仿生多尺度微刺第一尺度圆锥形微刺底部圆的半径；

h1为第1级尺度圆锥形微刺底面圆的圆心到第2级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离，hi+1(i=1)为第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点到第i+1级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离。

其中，点a、b1、b2、c为多尺度微刺的顶点，点d1、d2为下一级尺度微刺在上一级尺度微刺上的接触点，点e1、e2为第1级尺度圆锥形微刺底面圆投影出二维视图上的两点，点o1为第1级尺度圆锥形微刺底面圆的圆心，点o2和o3为仿生多尺度微刺的分维点（o2表示第2级尺度两微刺截面角平分线的交点，o3表示第3级尺度两微刺截面角平分线的交点），点o4为第2级尺度微刺与第1级尺度微刺夹角的顶点。

实施例3：如图1-5所示，一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数d=ln2/ln3=0.631以4尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第2级尺度微刺分布在第1级尺度微刺的h1处，h1=2/3l1，第3级尺度微刺分布在第2级尺度微刺的h2处，h2=2/3l2，第4级尺度微刺分布在第3级尺度微刺的h3处，h3=2/3l3，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l4=1/3l3，l1为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm；其中，h1为第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的位置，h2为第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的位置，h3为第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的位置，第1级尺度微刺底面圆半径r为5mm至10mm；l2为第2级尺度微刺的顶点到第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点的距离，l3为第3级尺度微刺的顶点到第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点的距离，l4为第4级尺度微刺的顶点到第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的接触点的距离，第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点表示第2级尺度微刺尖端角等分线与第1级尺度微刺的第一个接触的点，第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点表示第3级尺度微刺尖端角等分线与第2级尺度微刺的第一个接触的点，第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的接触点表示第4级尺度微刺尖端角等分线与第3级尺度微刺的第一个接触的点。h1为第1级尺度圆锥形微刺底面圆的圆心到第2级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离，hi+1(i=1,2)为第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点到第i+1级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离。

所述分形维数d根据cantor集的分形方法确定。

第2级尺度微刺与第1级尺度微刺夹角β为10°至80°，第3级尺度微刺与第2级尺度微刺夹角β为10°至80°，第4级尺度微刺与第3级尺度微刺夹角β为10°至80°，第1级微刺尖端角度α为30°至80°。

实施例4：如图1-5所示，一种基于分形理论的仿生多尺度微刺结构，微刺结构基于分形理论依次按照分形维数d=ln2/ln3=0.631以5尺度的形式分布在仿生凸包结构上，呈阵列排布。

所述微刺结构采用圆锥结构；第2级尺度微刺分布在第1级尺度微刺的h1处，h1=2/3l1，第3级尺度微刺分布在第2级尺度微刺的h2处，h2=2/3l2，第4级尺度微刺分布在第3级尺度微刺的h3处，h3=2/3l3，第5级尺度微刺分布在第4级尺度微刺的h4处，h4=2/3l4，l2=1/3l1，l3=1/3l2，l4=1/3l3，l5=1/3l4，l1为第1级尺度微刺的顶点到第1级尺度微刺底面圆圆心的距离且取值为10mm至30mm；其中，h1为第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的位置，h2为第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的位置，h3为第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的位置，h4为第5级尺度微刺在第4级尺度微刺上的位置，第1级尺度微刺底面圆半径r为5mm至10mm；l2为第2级尺度微刺的顶点到第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点的距离，l3为第3级尺度微刺的顶点到第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点的距离，l4为第4级尺度微刺的顶点到第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的接触点的距离，l5为第5级尺度微刺的顶点到第5级尺度微刺在第4级尺度微刺上的接触点的距离，第2级尺度微刺在第1级尺度微刺上的接触点表示第2级尺度微刺尖端角等分线与第1级尺度微刺的第一个接触的点，第3级尺度微刺在第2级尺度微刺上的接触点表示第3级尺度微刺尖端角等分线与第2级尺度微刺的第一个接触的点，第4级尺度微刺在第3级尺度微刺上的接触点表示第4级尺度微刺尖端角等分线与第3级尺度微刺的第一个接触的点，第5级尺度微刺在第4级尺度微刺上的接触点表示第5级尺度微刺尖端角等分线与第4级尺度微刺的第一个接触的点。h1为第1级尺度圆锥形微刺底面圆的圆心到第2级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离，hi+1(i=1,2,3)为第i+1级尺度微刺在第i级尺度微刺上的接触点到第i+1级尺度两微刺截面角平分线的交点的距离。

所述分形维数d根据cantor集的分形方法确定。

第2级尺度微刺与第1级尺度微刺夹角β为10°至80°，第3级尺度微刺与第2级尺度微刺夹角β为10°至80°，第4级尺度微刺与第3级尺度微刺夹角β为10°至80°，第5级尺度微刺与第4级尺度微刺夹角β为10°至80°，第1级微刺尖端角度α为30°至80°。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。