淺論工程機械結構設計應用中仿生學的基本原則

　　工程機械結構設計需要有大量的實驗數據與工程力學計算支持, 因此盡管人們利用工程機械制造創造出了許許多都的工程奇跡, 然而對于機械結構的創新卻鮮有進展。本文將通過對結構仿生學的簡要介紹, 來進一步就闡述了結構仿生學與工程機械結構設計間的相關性, 也為工程機械學創新設計提供以了一種新思路。

　　《農業機械學報》(月刊)創刊于1957年，是由中國科協主管、中國農業機械學會和中國農業機械化科學研究院主辦的唯一綜合性學術期刊, 農業工程類中文核心期刊，美國工程信息公司(EI)和美國化學文摘社(CA)收錄期刊。她代表和反映了當前我國農業機械和農業工程學科的最新研究成果和學術水平，被農機行業科技工作者視為權威刊物。

　　1引言

　　仿生學是應用自然界當中的生物材料、結構、形態以及功能原理來為工程機械設計提供指導與實際應用的一種交叉學科, 其幾乎能夠與任何一門學科相結合, 有著廣泛的適用性。將生物結構所具備的優秀力學特性應用于工程機械結構設計當中, 能夠給予工程機械的結構設計提供以重要的新思路與新方法。應用仿生學來就工程機械的現有結構部件性能實施優化改進, 并就此開展相關的研究工作具有一定的現實意義。

　　2概述

　　結構仿生學是針對自然界當中生物結構來展開相關的研究工作, 對于各種生物體的結構特性進行觀察、分析, 而后應用目前人類所已經掌握的技術手段與各種材料來開展仿生學設計改進, 并由此來促進工程機械結構的穩定性及其效率能夠得以大幅度的增強。這同時也是一項十分典型性的跨學科研究領域, 其中所牽涉到的學科范圍十分寬廣, 其中所具體研究的內容就含括了自然界當中的各種動植物。目前可直接實現對仿生學的應用主要包括了機器制造、材料學、建筑學等專業領域。進一步加強對結構仿生學的理論研究與技術探索, 對于促進結構仿生學的發展與應用有著巨大的現實意義。

　　3工程機械結構設計應用結構仿生學的基本原則

　　依據生物機構本身的力學特征, 在開展工程機械設計之時可總結出以下幾項基礎性的結構設計原則:

　　(1) 科學應用好多孔結構形式來實現對重量的減輕。適當調節結構形式, 將應力安全區域內材料及時去除, 在確保對機械結構不產生嚴重影響的情況下盡可能確保結構能夠輕量化。

　　(2) 科學應用多種完全不同的材料來促進結構整體力學性能的全面提升。如科學應用好多種材料本身所具備的多層結構, 并以此來促成綜合性的力學性能可得以顯著提升。

　　(3) 受力結構方式簡易, 結構件數量應保持適當合理性, 結構形狀變化應確保適度緩和。

　　(4) 把仿生學科學運用到工程機械的設計與制造方面, 同樣要進行長時間的研究, 其中難免會遭遇到許多的挫折與挑戰。工程機械日常的工作環境和自然界中某些生物所面臨的環境十分接近生物結構范例對于工程機械結構設計本身具有一定的指導價值。生物結構與工程機械本身存在著一定的天然結合條件, 把仿生學運用到工程機械設計與制造過程中可發揮出良好的工程現實價值。

　　(5) 結構質量布設適宜, 預防質量多度集中。如針對承受彎矩載荷的結構應適當擴大結構截面的慣性矩以促進其抗彎性能能夠得以有效加強。

　　(6) 將結構曲率的支撐效果予以充分運用。如殼體外凸板材在遭受壓力與沖擊影響時結構穩定性及剛度仍能夠超過一般性的平板材料。

　　4工程機械結構部件仿生學設計

　　4.1 挖掘機斗桿仿生結構設計

　　在開展挖掘機斗桿仿生結構設計時, 不論是采用何種工作裝置, 斗桿和大臂均會得到保留, 主要要改造的是末端設備。因此, 也便要求斗桿能夠具備優異的力學性能, 在進行挖掘機斗桿設計時應先對各項參數進行計算基礎, 在此階段需線設計斗桿容量, 通常在1.2m3左右, 挖掘機重量約為25噸, 運行功率為120k W, 采用如下公式進行計算處理:

　　在上述公式中Li表示斗桿尺寸大小;

　　i為結構部件;

　　G為挖掘機重量。

　　在經過計算處理后便可大致確定出斗桿尺寸確定為0.8較為適宜, 而后便可進行斗桿設計圖紙的繪制。

　　4.2 仿生底架結構的靜力學有限元分析

　　為了檢驗仿生結構本身的力學特性, 還需針對仿生結構實施有限元分析, 加載和傳統結構所較為接近的載荷與約束性條件。仿生結構相較于常規的底架結構其應力分布更加均衡, 對于材料也有著更高的利用率。最大應力值可達到40.045MPa, 最大應力區域相對較小。整體結構的應力分布相較于常規底架結構更加均勻, 承載方式也更加合理。應力最大位置處于底板和履帶架接合位置的圓孔邊緣, 并且最大應力區域相對偏小, 并不會導致整體結構的剛度及強度受到嚴重影響。這一部分的結構也相對較為簡潔, 利用對結構的優化處理與控制可有效降低應力集中現象, 促使結構能夠更加方便的實現改進處理。

　　4.3 底架模態分析

　　鑒于工程機械的工作環境往往十分惡劣, 不僅地形環境十分復雜, 而且還時常要遭受沖擊影響。利用模態分析便可準確找出結構的固有振動類型及頻率, 從而也便能夠反映出結構本身的振動特點。模態分析只針對底架結構施加限制。由頻率分布來分析, 傳統結構頻率更低, 仿生結構較高, 此即表明仿生結構在抗震性能方面效果更加, 具有更好的穩定性, 實現了結構優化。

　　5結語

　　總而言之, 在本次研究中就針對結構仿生學在應用到工程機械結構設計時的基本原則進行了簡要分析, 而后就以挖掘機斗桿為例對工程機械結構部件仿生學設計展開了深入的研究工作, 經過對傳統底架結構的有限元計算結果分析, 對底架仿生結構實施了工程轉化, 同時開展了有限元靜力學分析, 有效的提升挖掘機斗桿的強度與剛度。最終希望借助于本文的研究工作能夠為今后相關的工程轉化提供一些新思路、新方法。

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