随着陆地矿产资源的日益枯竭,海底矿产资源的开发利用逐渐成为全球能源发展战略的热点。海底矿产资源的开发和利用的主要难点在于开采运输机械设备的研发,其中集矿机作为集矿机与管道提升结合式采矿系统的重要组成部分,对深海采矿的高效安全运行有着重要的作用。而由于深海稀软底质土的高含水率、低剪切强度特性,导致履带式集矿机作业时容易出现打滑、黏土等现象,这不仅降低了集矿机的工作效率,也对其安全运行产生了严重的影响。本文首先对深海底质土的率相关特性进行研究,并基于深海底质土率相关牵引特性对集矿机履齿进行仿生优化设计,以获得具有较高牵引力的集矿机履齿。最后,对深海底质土与金属接触界面的粘附特性进行研究,通过引入波峰间距参数对现有的JKR模型进行修正。本文取得的主要研究成果如下:1、本文通过不固结不排水三轴压缩实验测得了深海底质土在不同加载速度下的应力-应变曲线,发现在不同加载速度下,随着深海底质土应变的增加,应力呈现先增加后有小幅度降低的趋势,且深海底质土的屈服应力随着加载速度的增加而提高,材料的弹性模量也随着加载速度的增加而略有增大,但总体差别不大。为此基于深海底质土在不同加载下的应力-应变曲线,对有限元软件中的率相关参数塑性应变率、屈服应力比进行标定,获得了率相关扩展Drucker-Prager本构模型。2、利用欧拉-拉格朗日算法对不同切削速度下仿生履齿切削深海底质土的过程进行分析,并通过相同工况试验对其进行验证,确定了有限元模拟的计算精度。通过比较不同履齿的切削过程,发现仿生履齿相较于直板履齿在切削过程中使得土体产生更大的塑性区域,即会有更多土体承担仿生履齿的作用,以此使履齿获得更大的牵引力,此即为仿生履齿的增力机理。并以此建立了最大牵引力和仿生履齿参数的二元二次回归方程,同时通过优化算法获得了仿生履齿的最佳齿形参数。基于深海底质土的率相关特性,分析了最佳仿生履齿在不同行走速度下的牵引力特性,并建立了最大牵引力和速度的相关方程,以此获得最佳行走速度,为提高深海集矿机的行走效率提供理论依据。3、本文基于不同波峰间距金属表面与土颗粒之间的有限元模拟,探究了金属表面波峰间距与土颗粒接触界面的粘附力关系,通过引入波峰间距参数对JKR接触模型进行修正。并通过优化算法获得了使土颗粒与金属表面存在最小粘附力的波峰间距值,很好的反应了金属表面粗糙度对粘附力的影响,为实现金属表面的减粘脱粘提供了理论基础。