結(jié)構(gòu)仿生學在工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應用研究論文
摘要：仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經(jīng)廣泛應用于各項工業(yè)設(shè)計，在工程機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能開辟出革命性的設(shè)計思路，從而讓工程機械更好地為人們服務(wù)。本文從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能三個方面詳細地介紹了仿生學的基本概念，并且就結(jié)構(gòu)仿生在工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上的具體應用進行了細致說明。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)仿生學；工程機械；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應用研究
在自然界中，每一種生物都經(jīng)歷了億萬年的自然進化和優(yōu)勝劣汰，最終能夠生存下來的物種必定擁有一些非同尋常的能力和特性。仿生學正是通過研究生物物種的某些結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及功能特性來模仿設(shè)計出相應的機械設(shè)備和裝置，進而更好地服務(wù)于社會，提升人們生產(chǎn)生活的品質(zhì)。許多工程機械設(shè)備的發(fā)明改進都與仿生學有著千絲萬縷的聯(lián)系，例如最初飛機的發(fā)明就是基于結(jié)構(gòu)仿生學的設(shè)計理念，對鳥類身體構(gòu)造進行仿生，最終制造出能夠像鳥類一樣飛翔的機械。仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經(jīng)開始應用于各項工業(yè)設(shè)計，在工程機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能探索并開辟出革命性的設(shè)計思路。
1仿生學的基本概念和理論
仿生學是一門綜合性十分強的古老學科，包含了自然生物學、材料物理學和數(shù)學建模等多種知識的交叉[1]，主要研究對象囊括動物、植物和微生物在內(nèi)的整個自然界，可以說，仿生學的應用研究是人類不斷認識自然、了解自然、挖掘自然潛力的過程，總體來說可以分為形態(tài)、功能和結(jié)構(gòu)仿生。
1.1形態(tài)仿生
在自然界中，每種生物都擁有各自獨特的外在形態(tài)，而這些形態(tài)都是經(jīng)過上億年自然選擇的結(jié)果，其中必然隱藏著某些物種賴以生存的特性能力。通過對生物形態(tài)的系統(tǒng)研究，工業(yè)產(chǎn)品對其形態(tài)進行模仿再現(xiàn)，進而還原這些生物特性并最終體現(xiàn)在產(chǎn)品之中。例如海豚具有流線型形態(tài)，在水中游動時的阻力相對較少，因而游速較快，基于這一點，現(xiàn)在汽車外形大多數(shù)對海豚形態(tài)仿生，模仿設(shè)計出流線型的車身，這在很大程度上較少了汽車運行過程中的空氣阻力，提高了汽車的運動性能。
1.2功能仿生
在自然界生存的每一種物種都具備與惡劣環(huán)境相抗衡的生存功能，正是這些功能保證它們能夠經(jīng)受得住“優(yōu)勝劣汰、適者生存”的自然法則。功能仿生就是通過研究生物體某些特殊功能并弄清其運作原理，進而將這些功能應用到產(chǎn)品設(shè)計之中，使得產(chǎn)品具有生物體同等功能，同時這也是人類不斷創(chuàng)新進步的重要源泉。功能仿生在產(chǎn)品設(shè)計中的應用十分廣泛，例如蝙蝠具有發(fā)射超聲波的功能，所以能夠夜間飛行，設(shè)計者對這一功能進行仿生最終制造出雷達，并廣泛運用于軍事領(lǐng)域。
1.3結(jié)構(gòu)仿生
在很久以前，人類已經(jīng)開始認識到不同生物體結(jié)構(gòu)各自所表現(xiàn)出迥異的功能特性，例如魚的尾巴能夠自由地控制方向；細長的柳條能夠承受巨大的力矩；柔弱的蛛網(wǎng)可以經(jīng)受住大風等。結(jié)構(gòu)仿生主要以生物體的結(jié)構(gòu)特點作為研究對象，并且對結(jié)構(gòu)原理進行深層次地剖析，進而在產(chǎn)品設(shè)計中植入相應的構(gòu)造已達到同等的功能效果。例如蜂窩結(jié)構(gòu)是無數(shù)個正六邊形鑲嵌拼接而成，具有良好的穩(wěn)定性，將這一結(jié)構(gòu)應用到汽車輪胎之中能夠有效地控制輪胎形變，避免爆胎。
2結(jié)構(gòu)仿生學在工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上的具體應用
工程機械在結(jié)構(gòu)設(shè)計要綜合考慮各方面的因素，尺寸規(guī)格、部件連接和工作裝置對機械性能都至關(guān)重要，因此結(jié)構(gòu)仿生學應當從這幾方面入手對工程機械進行仿生設(shè)計。
2.1外形尺寸的結(jié)構(gòu)仿生應用
在生物界中，外形結(jié)構(gòu)尺寸對于生物體的功能特性起著十分關(guān)鍵的重要，例如螞蟻能夠運載比它身體質(zhì)量重數(shù)倍的物體，這在很大程度上歸功于螞蟻外形的尺寸構(gòu)造。螞蟻的頭部和胸部結(jié)構(gòu)緊湊且靈活，腹部與胸部間依靠三節(jié)腹柄來支撐受力，這些獨特的外形及合適的尺寸為其贏得了“大力士”的美譽。通過對螞蟻身體的結(jié)構(gòu)尺寸比例、重心位置及運動方式的研究，設(shè)計人員對裝載機、挖掘機、自卸車等工程機械的外形尺寸進行了結(jié)構(gòu)仿生，重新定義了橋荷比值，而且也可以通過設(shè)計根據(jù)工況自動調(diào)整的重力平衡裝置，從而保證了機械能夠在滿載情況下仍具有高穩(wěn)定性和高效率作業(yè)能力。
2.2連接部件的結(jié)構(gòu)仿生應用
在生物界生物一直都很擅長利用有限的空間和結(jié)構(gòu)以利于自身的運動，增強對環(huán)境的適應能力。生物結(jié)構(gòu)的受力情況十分均勻，很少出現(xiàn)應力過大的區(qū)域，所以形成的結(jié)構(gòu)也多是優(yōu)化的力學結(jié)構(gòu)。基于這一點，工程機械中一些連接部件的設(shè)計都進行了結(jié)構(gòu)仿生，具體而言分為以下三種方式：（1）模仿竹節(jié)結(jié)構(gòu)、樹木的板根結(jié)構(gòu)、王蓮的網(wǎng)狀助板結(jié)構(gòu)，對直接受力的支撐構(gòu)件、主要受力結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)加強；（2）較多的采用光滑的'曲線作為結(jié)構(gòu)的形線，能有效的減少由于形狀或結(jié)構(gòu)的突變引起的應力集中現(xiàn)象。（3）改進結(jié)構(gòu)形式和潤滑條件，減少連接結(jié)構(gòu)的能量損失，提高聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性，延長部件的使用壽命。
2.3工作裝置的結(jié)構(gòu)仿生應用
人類手的結(jié)構(gòu)十分精巧，對人類的生存來說十分重要。人類的手部結(jié)構(gòu)緊湊，抓握動作靈活穩(wěn)定，功能強大。人們對了人類部結(jié)構(gòu)的研究巳有較長的歷史。而真意義上能實現(xiàn)靈活動作的仿生則是僅有幾十年的時間。由于“靈巧”的研究具有很強的應用價值，各國對其都格外重視，也是少數(shù)幾個一直沒有聞斷的仿生學研究課題，美國、本、歐洲等國都在“靈巧手”方而的研究投入了大量的科研精力，由德國中航中心與哈爾濱工業(yè)大學合作研發(fā)的HIT/DLR機器人靈巧手，結(jié)構(gòu)和功能與人體手幾乎一樣，可以自由活動并能夠輕松提取重物[2]。
總而言之，隨著人類對自然界的不斷探索和了解，許多生物體結(jié)構(gòu)的仿生功能將會廣泛應用工程機械設(shè)計之中，這將極大地提高機械性能，進而更好地為整個社會服務(wù)。
參考文獻
[1] 葉青會；陶健等 仿生學原理在空間結(jié)構(gòu)中的應用[J] 結(jié)構(gòu)工程師，2010（26）
[2] 陶校文 工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生學的應用探究[J] 科學與財富，2015（04）
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