浅论工程机械结构设计应用中仿生学的基本原则

　　工程机械结构设计需要有大量的实验数据与工程力学计算支持, 因此尽管人们利用工程机械制造创造出了许许多都的工程奇迹, 然而对于机械结构的创新却鲜有进展。本文将通过对结构仿生学的简要介绍, 来进一步就阐述了结构仿生学与工程机械结构设计间的相关性, 也为工程机械学创新设计提供以了一种新思路。

　　《农业机械学报》(月刊)创刊于1957年，是由中国科协主管、中国农业机械学会和中国农业机械化科学研究院主办的唯一综合性学术期刊, 农业工程类中文核心期刊，美国工程信息公司(EI)和美国化学文摘社(CA)收录期刊。她代表和反映了当前我国农业机械和农业工程学科的最新研究成果和学术水平，被农机行业科技工作者视为权威刊物。

　　1引言

　　仿生学是应用自然界当中的生物材料、结构、形态以及功能原理来为工程机械设计提供指导与实际应用的一种交叉学科, 其几乎能够与任何一门学科相结合, 有着广泛的适用性。将生物结构所具备的优秀力学特性应用于工程机械结构设计当中, 能够给予工程机械的结构设计提供以重要的新思路与新方法。应用仿生学来就工程机械的现有结构部件性能实施优化改进, 并就此开展相关的研究工作具有一定的现实意义。

　　2概述

　　结构仿生学是针对自然界当中生物结构来展开相关的研究工作, 对于各种生物体的结构特性进行观察、分析, 而后应用目前人类所已经掌握的技术手段与各种材料来开展仿生学设计改进, 并由此来促进工程机械结构的稳定性及其效率能够得以大幅度的增强。这同时也是一项十分典型性的跨学科研究领域, 其中所牵涉到的学科范围十分宽广, 其中所具体研究的内容就含括了自然界当中的各种动植物。目前可直接实现对仿生学的应用主要包括了机器制造、材料学、建筑学等专业领域。进一步加强对结构仿生学的理论研究与技术探索, 对于促进结构仿生学的发展与应用有着巨大的现实意义。

　　3工程机械结构设计应用结构仿生学的基本原则

　　依据生物机构本身的力学特征, 在开展工程机械设计之时可总结出以下几项基础性的结构设计原则:

　　(1) 科学应用好多孔结构形式来实现对重量的减轻。适当调节结构形式, 将应力安全区域内材料及时去除, 在确保对机械结构不产生严重影响的情况下尽可能确保结构能够轻量化。

　　(2) 科学应用多种完全不同的材料来促进结构整体力学性能的全面提升。如科学应用好多种材料本身所具备的多层结构, 并以此来促成综合性的力学性能可得以显着提升。

　　(3) 受力结构方式简易, 结构件数量应保持适当合理性, 结构形状变化应确保适度缓和。

　　(4) 把仿生学科学运用到工程机械的设计与制造方面, 同样要进行长时间的研究, 其中难免会遭遇到许多的挫折与挑战。工程机械日常的工作环境和自然界中某些生物所面临的环境十分接近生物结构范例对于工程机械结构设计本身具有一定的指导价值。生物结构与工程机械本身存在着一定的天然结合条件, 把仿生学运用到工程机械设计与制造过程中可发挥出良好的工程现实价值。

　　(5) 结构质量布设适宜, 预防质量多度集中。如针对承受弯矩载荷的结构应适当扩大结构截面的惯性矩以促进其抗弯性能能够得以有效加强。

　　(6) 将结构曲率的支撑效果予以充分运用。如壳体外凸板材在遭受压力与冲击影响时结构稳定性及刚度仍能够超过一般性的平板材料。

　　4工程机械结构部件仿生学设计

　　4.1 挖掘机斗杆仿生结构设计

　　在开展挖掘机斗杆仿生结构设计时, 不论是采用何种工作装置, 斗杆和大臂均会得到保留, 主要要改造的是末端设备。因此, 也便要求斗杆能够具备优异的力学性能, 在进行挖掘机斗杆设计时应先对各项参数进行计算基础, 在此阶段需线设计斗杆容量, 通常在1.2m3左右, 挖掘机重量约为25吨, 运行功率为120k W, 采用如下公式进行计算处理:

　　在上述公式中Li表示斗杆尺寸大小;

　　i为结构部件;

　　G为挖掘机重量。

　　在经过计算处理后便可大致确定出斗杆尺寸确定为0.8较为适宜, 而后便可进行斗杆设计图纸的绘制。

　　4.2 仿生底架结构的静力学有限元分析

　　为了检验仿生结构本身的力学特性, 还需针对仿生结构实施有限元分析, 加载和传统结构所较为接近的载荷与约束性条件。仿生结构相较于常规的底架结构其应力分布更加均衡, 对于材料也有着更高的利用率。最大应力值可达到40.045MPa, 最大应力区域相对较小。整体结构的应力分布相较于常规底架结构更加均匀, 承载方式也更加合理。应力最大位置处于底板和履带架接合位置的圆孔边缘, 并且最大应力区域相对偏小, 并不会导致整体结构的刚度及强度受到严重影响。这一部分的结构也相对较为简洁, 利用对结构的优化处理与控制可有效降低应力集中现象, 促使结构能够更加方便的实现改进处理。

　　4.3 底架模态分析

　　鉴于工程机械的工作环境往往十分恶劣, 不仅地形环境十分复杂, 而且还时常要遭受冲击影响。利用模态分析便可准确找出结构的固有振动类型及频率, 从而也便能够反映出结构本身的振动特点。模态分析只针对底架结构施加限制。由频率分布来分析, 传统结构频率更低, 仿生结构较高, 此即表明仿生结构在抗震性能方面效果更加, 具有更好的稳定性, 实现了结构优化。

　　5结语

　　总而言之, 在本次研究中就针对结构仿生学在应用到工程机械结构设计时的基本原则进行了简要分析, 而后就以挖掘机斗杆为例对工程机械结构部件仿生学设计展开了深入的研究工作, 经过对传统底架结构的有限元计算结果分析, 对底架仿生结构实施了工程转化, 同时开展了有限元静力学分析, 有效的提升挖掘机斗杆的强度与刚度。最终希望借助于本文的研究工作能够为今后相关的工程转化提供一些新思路、新方法。

　　参考文献

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