淺論工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中仿生學(xué)的基本原則

　　工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要有大量的實驗數(shù)據(jù)與工程力學(xué)計算支持, 因此盡管人們利用工程機械制造創(chuàng)造出了許許多都的工程奇跡, 然而對于機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新卻鮮有進展。本文將通過對結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的簡要介紹, 來進一步就闡述了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計間的相關(guān)性, 也為工程機械學(xué)創(chuàng)新設(shè)計提供以了一種新思路。

　　《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》(月刊)創(chuàng)刊于1957年，是由中國科協(xié)主管、中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會和中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院主辦的唯一綜合性學(xué)術(shù)期刊, 農(nóng)業(yè)工程類中文核心期刊，美國工程信息公司(EI)和美國化學(xué)文摘社(CA)收錄期刊。她代表和反映了當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機械和農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的最新研究成果和學(xué)術(shù)水平，被農(nóng)機行業(yè)科技工作者視為權(quán)威刊物。

　　1引言

　　仿生學(xué)是應(yīng)用自然界當(dāng)中的生物材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及功能原理來為工程機械設(shè)計提供指導(dǎo)與實際應(yīng)用的一種交叉學(xué)科, 其幾乎能夠與任何一門學(xué)科相結(jié)合, 有著廣泛的適用性。將生物結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)秀力學(xué)特性應(yīng)用于工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中, 能夠給予工程機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供以重要的新思路與新方法。應(yīng)用仿生學(xué)來就工程機械的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)部件性能實施優(yōu)化改進, 并就此開展相關(guān)的研究工作具有一定的現(xiàn)實意義。

　　2概述

　　結(jié)構(gòu)仿生學(xué)是針對自然界當(dāng)中生物結(jié)構(gòu)來展開相關(guān)的研究工作, 對于各種生物體的結(jié)構(gòu)特性進行觀察、分析, 而后應(yīng)用目前人類所已經(jīng)掌握的技術(shù)手段與各種材料來開展仿生學(xué)設(shè)計改進, 并由此來促進工程機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(xué)科研究領(lǐng)域, 其中所牽涉到的學(xué)科范圍十分寬廣, 其中所具體研究的內(nèi)容就含括了自然界當(dāng)中的各種動植物。目前可直接實現(xiàn)對仿生學(xué)的應(yīng)用主要包括了機器制造、材料學(xué)、建筑學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域。進一步加強對結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的理論研究與技術(shù)探索, 對于促進結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用有著巨大的現(xiàn)實意義。

　　3工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的基本原則

　　依據(jù)生物機構(gòu)本身的力學(xué)特征, 在開展工程機械設(shè)計之時可總結(jié)出以下幾項基礎(chǔ)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則:

　　(1) 科學(xué)應(yīng)用好多孔結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)對重量的減輕。適當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式, 將應(yīng)力安全區(qū)域內(nèi)材料及時去除, 在確保對機械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生嚴(yán)重影響的情況下盡可能確保結(jié)構(gòu)能夠輕量化。

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

　　(3) 受力結(jié)構(gòu)方式簡易, 結(jié)構(gòu)件數(shù)量應(yīng)保持適當(dāng)合理性, 結(jié)構(gòu)形狀變化應(yīng)確保適度緩和。

　　(4) 把仿生學(xué)科學(xué)運用到工程機械的設(shè)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(zhàn)。工程機械日常的工作環(huán)境和自然界中某些生物所面臨的環(huán)境十分接近生物結(jié)構(gòu)范例對于工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計本身具有一定的指導(dǎo)價值。生物結(jié)構(gòu)與工程機械本身存在著一定的天然結(jié)合條件, 把仿生學(xué)運用到工程機械設(shè)計與制造過程中可發(fā)揮出良好的工程現(xiàn)實價值。

　　(5) 結(jié)構(gòu)質(zhì)量布設(shè)適宜, 預(yù)防質(zhì)量多度集中。如針對承受彎矩載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)擴大結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及剛度仍能夠超過一般性的平板材料。

　　4工程機械結(jié)構(gòu)部件仿生學(xué)設(shè)計

　　4.1 挖掘機斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在開展挖掘機斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)備。因此, 也便要求斗桿能夠具備優(yōu)異的力學(xué)性能, 在進行挖掘機斗桿設(shè)計時應(yīng)先對各項參數(shù)進行計算基礎(chǔ), 在此階段需線設(shè)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(jié)構(gòu)部件;

　　G為挖掘機重量。

　　在經(jīng)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(shè)計圖紙的繪制。

　　4.2 仿生底架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)有限元分析

　　為了檢驗仿生結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)特性, 還需針對仿生結(jié)構(gòu)實施有限元分析, 加載和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所較為接近的載荷與約束性條件。仿生結(jié)構(gòu)相較于常規(guī)的底架結(jié)構(gòu)其應(yīng)力分布更加均衡, 對于材料也有著更高的利用率。最大應(yīng)力值可達(dá)到40.045MPa, 最大應(yīng)力區(qū)域相對較小。整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相較于常規(guī)底架結(jié)構(gòu)更加均勻, 承載方式也更加合理。應(yīng)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(yīng)力區(qū)域相對偏小, 并不會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛度及強度受到嚴(yán)重影響。這一部分的結(jié)構(gòu)也相對較為簡潔, 利用對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理與控制可有效降低應(yīng)力集中現(xiàn)象, 促使結(jié)構(gòu)能夠更加方便的實現(xiàn)改進處理。

　　4.3 底架模態(tài)分析

　　鑒于工程機械的工作環(huán)境往往十分惡劣, 不僅地形環(huán)境十分復(fù)雜, 而且還時常要遭受沖擊影響。利用模態(tài)分析便可準(zhǔn)確找出結(jié)構(gòu)的固有振動類型及頻率, 從而也便能夠反映出結(jié)構(gòu)本身的振動特點。模態(tài)分析只針對底架結(jié)構(gòu)施加限制。由頻率分布來分析, 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頻率更低, 仿生結(jié)構(gòu)較高, 此即表明仿生結(jié)構(gòu)在抗震性能方面效果更加, 具有更好的穩(wěn)定性, 實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　5結(jié)語

　　總而言之, 在本次研究中就針對結(jié)構(gòu)仿生學(xué)在應(yīng)用到工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)部件仿生學(xué)設(shè)計展開了深入的研究工作, 經(jīng)過對傳統(tǒng)底架結(jié)構(gòu)的有限元計算結(jié)果分析, 對底架仿生結(jié)構(gòu)實施了工程轉(zhuǎn)化, 同時開展了有限元靜力學(xué)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(guān)的工程轉(zhuǎn)化提供一些新思路、新方法。

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