在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用研究

竇志遠(yuǎn) 曾瑞倩

摘 要：人的生活離不開自然界，現(xiàn)代所應(yīng)用的很多工程機(jī)械設(shè)備都是模仿自然界生物設(shè)計出來的，這也是人們常說的仿生。在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用十分廣泛，也正是由于結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的存在促進(jìn)了工程機(jī)械的發(fā)展。因此，本文將從結(jié)構(gòu)仿生學(xué)基本情況入手，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)仿生學(xué)在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)仿生學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.086

0 前言

所謂的仿生學(xué)實(shí)際上就是以自然生物為參照對象，通過觀察其結(jié)構(gòu)特征，將有價值的內(nèi)容應(yīng)用到現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中，仿生學(xué)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎可以與所有學(xué)科相關(guān)聯(lián)。在仿生學(xué)的影響下，促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，因此，有必要對工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用展開研究。

1 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)概述

結(jié)構(gòu)仿生學(xué)主要是將生物自然結(jié)構(gòu)作為參展對象，然后對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行全方面分析，以便改進(jìn)現(xiàn)有材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不足，以便有效提升結(jié)構(gòu)效率，強(qiáng)化可靠性[1]。自然界所有生物都是仿生學(xué)的研究對象，而這些仿生學(xué)多被應(yīng)用于建筑設(shè)計、機(jī)器人制作以及材料設(shè)計等[2]。自然生物多種多樣，不同的生物有著不同的功能，這也是工程建筑師所追求的方向，將結(jié)構(gòu)仿生學(xué)應(yīng)用到現(xiàn)代工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅可以最大程度的滿足實(shí)際需求，還能保證設(shè)計合理，強(qiáng)化系統(tǒng)性與整體性。如裝載機(jī)的設(shè)計就是應(yīng)用了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)，主要參照對象為螞蟻。很多工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是對自然生物的模仿，都是結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的體現(xiàn)，因此，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)仿生學(xué)在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

2 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計方式

通過對現(xiàn)代工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)均以箱型為主，結(jié)構(gòu)材料為低合金高強(qiáng)度鋼，之所以采用這種材料，主要在于可以最大程度的節(jié)約材料，再加上其質(zhì)地較輕，所以有效降低了結(jié)構(gòu)部件整體重量[3]。而這種部件多應(yīng)用在挖掘機(jī)中，因此，有必要將挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計仿生學(xué)設(shè)計作為研究對象。

（1）生物結(jié)構(gòu)特征分析。生物之所以能夠在自然界中生存與發(fā)展，主要是由于其結(jié)構(gòu)特征與自然界環(huán)境相吻合，即不存在“短缺”的情況，也不存在“過度浪費(fèi)”的現(xiàn)象。在將結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計應(yīng)用到工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)了解結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾方面：第一，生命結(jié)構(gòu)受力情況以簡化為主，其作用在于將受力分在各個階層中，以便更好的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。第二，多數(shù)生物都會通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量等措施確保結(jié)構(gòu)在受力下始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。只有了解了這些內(nèi)容，才可以真正做好工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）挖掘機(jī)斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。在挖掘機(jī)斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計中，無論使用哪種工作裝置，大臂與斗桿都會被存留下來，主要改變的是末端設(shè)備，由于末端設(shè)備的不同，挖掘機(jī)的受力情況也會不同，進(jìn)而對斗桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。所以，這就需要斗桿具有良好的力學(xué)性能。如設(shè)計挖掘機(jī)斗桿的過程中，應(yīng)先計算好參數(shù)，在這一過程中應(yīng)先設(shè)置好斗的實(shí)際容量，一般不超過1.2m3，挖掘機(jī)的重量則在25噸左右，運(yùn)行功率則在120kW，這時就需要根據(jù)這些要素利用公式計算好參數(shù)指標(biāo)，計算公式為，在該公式中，代表的是斗桿尺寸，而其中的i則表示的是結(jié)構(gòu)部件，G所代表的是挖掘機(jī)實(shí)際重量[4]。經(jīng)過計算基本可以確定斗桿尺寸最好控制在0.8左右，只有這樣才能保證設(shè)計合理，同時，繪制出斗桿計算位置圖，并按照該位置圖做好進(jìn)一步的計算（如下圖1所示）。

在挖掘機(jī)斗桿中空結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要參照的是動物的骨骼，通過研究發(fā)現(xiàn)，自然生物的骨骼密度多低于鐵密度的三倍左右，但其柔性則強(qiáng)于鐵的十倍，可見，生物具有良好的可塑性，所以這就需要加大對自然生物中空結(jié)構(gòu)的分析，并將其應(yīng)用到工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中。如斗桿主要為箱型，板厚為20mm，所以，在實(shí)際設(shè)計的過程中應(yīng)控制好筋寬度，最大不超過20mm，同時在側(cè)板出做好筋板加固設(shè)置，且將多余材料去除，如下圖2所示，這樣的設(shè)計方式不僅可以有效減輕肋板整體重量，還能促進(jìn)斗板整體強(qiáng)度提升。

同時，還要加大對肋板結(jié)構(gòu)的關(guān)注，該部分的設(shè)計可以參照王蓮葉脈的分布情況設(shè)計。采取這樣的設(shè)計方式彌補(bǔ)很可以有效增強(qiáng)挖掘機(jī)的整體穩(wěn)定性，還能使挖掘機(jī)運(yùn)行更加良好。而層級結(jié)構(gòu)的設(shè)計則可以參照仙人柱的外形，保證設(shè)計具有良好的抗彎性，這些都是挖掘機(jī)設(shè)計中十分重要的一部分。

3 結(jié)束語

總的來說，將結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計應(yīng)用到現(xiàn)代工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，已經(jīng)成為現(xiàn)代趨勢，正確應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計可以有效提升工程機(jī)械穩(wěn)定性，強(qiáng)化整體性。

參考文獻(xiàn)：

[1]何亞銀. 逆向工程在結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，01：11-14.

[2]趙嶺，王婷. 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法及其在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012，04：12-15.

[3]王立新，高雅妍. 農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的工程仿生研究概況與應(yīng)用前景[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報，2014，04：309-317.