现行的水力采捕机捕获的蛤类存在含砂率大、破碎率高、选择性差等问题。为解决上述问题,本文以我国四大养殖贝类之一的菲律宾蛤仔为例,采用计算机仿真、设计优化理论分析和实验研究相结合的方法,对蛤壳整体力学性能、养殖底质力学建模、底质振动软化、耙齿与底质流固耦合模型、蛤仔采捕机多学科设计优化等关键问题进行了系统研究,设计试制了一种带有振动机构的链齿式蛤仔采捕机,开展了采捕性能实验。主要研究工作和成果如下:(1)蛤壳生物力学特性研究。通过观测蛤壳的宏微观形貌和形态性状,发现蛤壳由纯文石相构成,内层、中层和外层分别为均匀结构、交错层结构和复合棱柱结构。采用硬度计和万能试验机测试了蛤壳硬度、拉伸强度、三点弯曲强度和压缩强度,结果表明:蛤壳内层硬度最高,且存在各向异性现象;蛤壳的三点弯曲强度明显高于拉伸强度;整壳准静态压缩强度符合Weibull分布,在张口垂直方向(Z向)加载时,蛤壳承压能力最弱;蛤仔年龄是影响破裂力的主要因素,其破裂力范围在100～400N之间,为后续采捕机设计优化提供了约束条件。(2)蛤仔养殖底质物理力学特性研究。采用标准土工试验方法测量了蛤仔养殖滩涂底质和浅海底质基础物理性质,结果表明:浅海底质比滩涂底质含水率更高,孔隙度和粒度更大。通过原位剪切实验和实验室圆形压板实验,研究了2种底质的剪切和压陷特性,揭示了底质剪切强度随深度对数增长的规律,辨识了底质压陷模型特征参数,探讨了应用Bekker模型描述浅海和滩涂底质压陷关系的适用性,为确定采捕机行走机构最小接地面积提供了理论基础。(3)蛤仔养殖底质振动软化机构设计与实验研究。设计了曲柄摇杆式振动机构,并建立了 ADAMS动力学仿真模型,研究了频率、牵引速度、振幅、速度比λ、最小速度角γ、牵引力之间的内在联系,发现当λ>1且γ<90°时有利于降低牵引力。利用振动功能样机对滩涂底质进行了软化实验,验证了仿真模型有效性,揭示了频率、牵引速度和振幅对底质软化效果的影响规律,发现振幅是最主要因素,为采捕机设计提供技术支持。(4)链齿式蛤仔采捕机设计与仿真。提出一种蛤仔旋转弹齿挖掘结合抖动链网输送并兼具底质振动软化作用的采捕机设计方案。基于LS-DYNA软件建立了耙齿、海水、底质流固耦合模型并进行求解,探讨了牵引速度、耙齿角速度和底质切削深度对耙齿切削阻力和等效应力的影响规律,结果表明:耙齿角速度对切削阻力和等效应力影响显著。通过回归分析,建立了耙齿平均切削阻力和最大等效应力模型,为采捕机优化约束函数构建提供了参考。(5)链齿式蛤仔采捕机多学科设计优化。根据实际工况推导了耙齿运动学模型、耙齿切削功耗模型、耙齿最大等效应力模型、蛤仔与耙齿碰撞模型以及蛤仔受力模型。应用上述模型和蛤壳及底质力学特性参数构建了约束函数,以采捕效率最高为优化目标,建立了采捕机设计优化问题数学模型。基于设计空间缩减的多学科协同优化方法,对采捕机设计优化问题进行学科划分和求解。(6)链齿式蛤仔采捕机性能实验研究。利用链齿式蛤仔采捕样机,在丹东大鹿岛蛤仔养殖海域测试了蛤仔采捕效率、采捕率、破碎率、含砂率、选择性等性能。牵引速度为1.028m/s,耙齿角速度为1.57rad/s条件下,链齿式采捕机捕获蛤仔的含砂率和破碎率较潜桨式采捕机分别下降了 83.3%和84.8%,达到了预期设计目标。