冯艳艳，唐亚鸣，施昕辉，吴晓东

(河海大学机电工程学院，江苏 常州213022)

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摘要：龙虾在水环境下用螯部来挖掘和推动土壤，研究龙虾螯部结构分形特征对于设计疏浚机具等水环境下的切土机械有一定的启发作用。应用分形理论测定龙虾螯部体表上非光滑结构单元的分布情况，以定量方式准确描述其分布规律。分析结果表明：龙虾螯部体表上非光滑结构单元为乳突状的凸包以及少量的棘刺，其法向投影近似为圆形，投影直径值满足正态随机分布，龙虾螯部体表上非光滑结构单元的分布具有分形特征，分数维数为0.021~0.032。研究结果为设计减粘减阻的仿生疏浚绞刀提供了定量依据。

关键词：龙虾螯部；分形；仿生；减粘减阻

中图分类号：TB123;U616  文献标识码：A  文章编号：2095-509X(2020)02-0093-04

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    绞吸式挖泥船在疏浚河道过程中，尤其是在挖掘黏性土壤时，常因土壤的大量粘附而停止工作来对疏浚绞刀进行清理，降低了生产效率。土壤粘附增大了粘附阻力和疏浚刀切削时的摩擦力，增加了能源消耗，严重时甚至使疏浚绞刀完全失去了疏浚作业能力，造成人力、物力以及财力的巨大损失。河海大学疏浚中心曾以蜣螂、贝壳等生活在潮湿土壤中具有减粘脱土功能的土壤动物的非光滑表面结构为对象进行仿生研究，在二维切削理论的基础上建立了凹坑形、凸包形表面绞刀齿的土壤切削模型，运用遗传算法对绞刀齿表面仿生非光滑结构单元的参数进行了优化，并借助Fluent、LS-DYNA等软件进行数值模拟，从力学模型、数值模拟、土壤切削实验等方面证实了土壤动物体表非光滑结构单元的减粘减阻效果，为疏浚绞刀的工程仿生提供了理论基础。然而，这些都是在假设非光滑结构单元尺寸相同、均匀分布的条件下进行的定性研究，未能科学地利用生物减粘脱附的进化成果。

    土壤粘附系统由土壤、非土壤固体表面和二者接触界面组成。任露泉等学者研究发现，土壤值、土壤微结构、土壤表面、土壤颗粒尺寸分布、土固接触表面和土块轮廓与裂纹都具有分形特征，土壤的分形特征与土壤粘附之间存在着一定的规律，因而生活在土壤里的动物的体表也一定存在某种分形特征。

    对于疏浚绞刀仿生对象的选择，遵循仿生对象与疏浚绞刀具有结构、功能、形态、所处环境等一个或几个方面相似的原则。本文的研究对象为龙虾螯部，其表面分布有微型凹坑、乳突状凸起和棘刺，具有较好的减粘脱附作用，有利于其打洞。本文在对土壤、动物减粘脱附定性研究的基础上，应用分形理论测定龙虾螯部体表上非光滑结构单元的分布情况，以定量方式准确描述其分布规律。

1 龙虾螯部体表生物信息的获取
1.1 样品制备

    本文所用的小龙虾来自江苏省盱眙县龙虾养殖基地，为洞里冬眠过的成年虾，其体表生物特征明显，有助于信息的提取。取其螯部，去除无关关节，用清水洗净体表污渍，常温下自然晾干，均匀喷涂DPT-5使其体表变为白色备用。

1.2 基于逆向工程的龙虾螯部曲面重建

    本文测量设备选用三维激光扫描仪。将龙虾螯部平整地放在扫描区域，设置适当的扫描参数，选择合适的扫描角度对制备好的样品进行扫描（保证一次扫描的完整性），获取龙虾螯部体表几何特征的点云数据并储存为.asc格式文件。利用逆向工程软件imageware打开获取的点云数据，如图1所示。对原始点云数据进行点群分割（抽取右钳）、精简、去噪等处理，对处理过的点云（图2）......

基金项目：大学生创新创业训练计划项目
作者简介：冯艳艳（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为水利机械仿生，2795766914@qq.com.

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