正軌箱梁橫向肋的竹子結構仿生學設計

王波，彭金松

（河池學院 物理與機電工程學院，廣西 宜州 546300）

在工程建設中，起重機發揮了重要作用，是工程有序開展的技術保障。隨著國家提出綠色生態建設及節能降的要求后，如何減少起重機在工作中的能耗成為科研人員的研究課題。起重機箱梁結構是工作中能耗極大的部分，占據起重機工作能耗的大部分，減少箱梁部分的工作能耗是實現綠色建設的新途徑。

經過研究發現，減輕起重機箱梁結構的重量，間接實現減少起重機箱梁結構運行時遇到的阻力是實現去能耗的關鍵。為此，尋找箱梁橫向肋的替代材料，既能保障起重機的運行，又能減少重量，是科研人員的工作重點。為此，科研人員采取了多種設計思路，例如采用合金鋼或新型金屬材料，并未取得較好的成果。如能尋找新型材料，既能滿足箱梁承重能力，又能實現結構質量的下降，將大大促進能耗的下降。經過科研觀察和實驗，竹子成為實驗人員的試點材料。首先，竹子自身具備極好的輕量化結構，重量遠低于金屬材料；其次，竹子具有金屬箱梁所需的剛性和韌性，竹子即具備加勁肋作用，同時也具備了較好的纖維組織的韌性，在工作中避免軸向裂紋擴展；最后，竹子具備極好的仿生學設計研究條件，其莖稈界面作為圓柱體，具有較大的創造空間和排列方式，根據研究結果表明，運用竹子仿生結構可以降低能耗的同時提升效能。本文為促進降能耗的作用，以竹子為研究對象，研究莖稈結構參數，同時為竹子正軌箱梁的仿生布置進行設計，從而實現研究目的。

1 竹子替代箱梁橫助肋的可行性分析

仿生指以一種相似材料代替另一種材料，從而實現降能耗的目的。竹子為何能替代金屬橫向肋，成為箱梁承重的重要組成部分，原因在于竹子自身結構不同于其他植物，其莖稈為空心生長，因此自重較小，而竹子纖維又具備極強的剛性和韌性，因此竹子具有明顯高于其他植物的抗彎力和抗折力。正軌箱梁的設計與竹子結構極為相似，均是空心設計且要求較高的抗彎力和承受扭矩的作用。因此竹子結構與正軌箱梁具有明顯的相似性，可以將竹子運用在正規箱梁的橫向肋上。

2 竹子替代其他材料的可行性分析

為了更好地展現竹子應用到正軌箱梁的可操作性，將研究不同節數的承重能力和抗壓能力。本文通過四組數據進行分析和對比。首先，將選用的竹子每節進行標記，制作對比參數，自底部開始，每節依次記為1、2、3...k...，通過科學的計算得出圖1，圖1所展示的是竹子莖稈每節徑壁的分布狀況，通過圖1可以發現不同節數的莖稈壁厚呈現不同的分布，由于竹子呈垂直生長趨勢，因此底部承受壓力更大，因此莖桿壁相對上部要厚。其次，竹子的節間距呈現兩頭節間距小而中間節間距大的分布特點，莖稈節間距分布規律。最后，將節間距進行圖像模擬化就得到近似圓錐的變截面圓錐殼結構，本文通過圖2進行展示。

通過研究發現，竹子的穩定性和抗壓力均與截面有關，截面直徑的平方將直接影響以上信息，但是需要說明的是經過大量實驗研究，不同的直徑截面的節間距不影響竹子的穩定性和抗壓力。為此，本文研究采用等效直徑節間距的概念，根據研究得出等效節間距的發展呈現由底部向頂部逐漸增大的趨勢。

3 正軌箱梁橫梁竹子結構仿生學設計實例

圖1 竹子莖桿壁分布狀況

圖2 節間距變截面模型

從正軌箱梁的應用實例出發，充分分析竹子應用到箱梁加勁肋的可能性和實用性，本文從實例出發，分析箱梁結構的原型與竹子仿生學結構的受力是否相同。

3.1 箱梁原型與竹子仿生學的受力特性分析

以偏差率2%作為箱梁結構仿生優化結果與傳統箱梁結構受力性能進行對比分析。傳統箱梁加勁肋數目為15道，加勁肋間距大致相等，分布在0.445～0.530m之間。加勁肋間距分布在0.55～1.10m之間，第7、8、9和10道加勁肋間距分別為1.10、1.10、1.10和0.90m。一方面仿生箱梁通過降低焊縫數目，減小了制造中的焊接變形，提高了箱梁結構壽命；另一方面也減少了加勁肋鋼材用量，在一定程度上降低了起重機箱梁結構自重。選取跨中和端部極限位置進行移動載荷加載，移動載荷分布范圍為0.0～0.5m。箱梁跨中優化前最大強度和剛度分布范圍分別為40.8～42.4MPa、0.0054～0.0056m；箱梁跨中優化后最大強度和剛度分布范圍分別為40.5～43.0MPa、0.0051～0.0057m。箱梁端部優化前最大強度和剛度分布范圍分別為14.8～24.5MPa、0.0010～0.0011m；箱梁端部優化后最大強度和剛度分布范圍分別為25.4～28.8MPa、0.0090～0.0012m。由于橫向肋變間距設計對結構強度、剛度設計指標影響較小，能夠滿足起重機工作要求。

3.2 竹子仿生過程淺析

根據上文分析，竹子竹節分布有其特點，因此為保證仿生結構的穩定性，在對箱內橫肋進行設計時，需要注意以下幾點內容：首先，橫向肋在設計時要保證兩個橫向肋所覆蓋的區域僅僅承受一個輪胎壓力，同時兩個橫向肋的距離如果超過車基距的2/3，則需要加入短強筋。其次，正規箱梁的主梁往往以對稱結構進行設計，因此在選擇橫向肋間距時，要注意橫向肋間間距的等同性。最后，本次設計結構采用橫向肋數目為2，則在進行仿生結構設計時，仿生橫向肋采取間次排列，隨著橫向肋數目的增加，橫向肋承受的壓力越大，則穩定性受到的考驗越重。本次采用的橫向肋數目為6根，可以很好的兼顧穩定性，保證仿生結構的應用。

4 結語

本文在研究中將竹子不同節數進行研究，針對不同節數體現不同強度和剛度，尋找竹子的最優部分。通過比對箱梁所需的剛度和強度，與竹子仿生設計進行比對，論證竹子仿生學是否能承擔起重機箱梁結構的需求。本文通過具體論述，明確運用竹子作為正軌箱梁的橫肋可以實現起重機工作中輕量化的需求，實現降低能耗的目的。運用竹子作為正軌箱梁的橫肋，剛度設計的影響較小而結構強度又可以達到需求。為此，竹子仿生學設計可以很好的應用到起重機的橫肋設計。

[1]趙嶺，陳五一，馬建峰.基于王蓮葉脈分布的機床橫梁筋板結構仿生優化[J].高技術通訊，2008，18(8):806-810.

[2]滕儒民，劉闞元，陳禮.有限元法計算大噸位伸縮臂起重機起重性能[J].中國工程機械學報，2011,（2）：194－199.

[3]王欣，黃琳，高媛等.起重機伸縮臂截面拓撲優化[J].大連理工大學學報，2009，（3）：374－379.

[4]傅萬四，周建波.竹材原態多方重組材料的創新與初探[J].林產工業，2010，(4):45-48.

[5]岑海堂，陳五一，喻懋林等.翼身結合框結構仿生設計[J].北京航空航天大學學報，2005，31(1):13-16.

[6]冼杏娟,洗定國.竹材的微觀結構及其與力學性能的關系[J].竹子研究匯刊，2017，（3）：10－23.

[7]王金諾，于蘭峰.起重運輸機金屬結構[M].北京:中國鐵道出版社，2002，206-207.