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工程機械結構設計中結構仿生學的應用探究論文
摘要：“仿生”是人們從自然界及生物體結構吸取靈感和經(jīng)驗的一種重要方法。隨著科技的發(fā)展和人類的進步，現(xiàn)代的科學研究為解釋了奇異的現(xiàn)象提供了依據(jù)。自然界中的生物體本身的不同結構也在被人類發(fā)現(xiàn)并且用于不同的發(fā)明創(chuàng)造中。本文通過研究工程機械設計中的仿生學，本文通過對工程機械的結構仿生學設計方法進行探索和研究，對工程機械的斗桿結構和底架結構進行了仿生學設計，并對其進行了有限元的靜力學分析。
關鍵詞：工程機械；結構仿生；設計
仿生學利用自然中的生物，主要是生物的結構、材料以及形態(tài)這些方面，人類從分析生物體的這些結構得到靈感，把靈感用于工程機械相關產(chǎn)品的設計構思上來，而根據(jù)這些生物的結構及仿生學的相關知識，把結構仿生學應用于工程機械中，創(chuàng)造出更多有價值、有意義的產(chǎn)品，推動工程機械行業(yè)的發(fā)展。
1仿生學簡介
1.1仿生學定義
仿生是人類利用自然和改造自然的一種思想，也是最早的學習方式。仿生學是利用自然界中生物的材料、結構、形態(tài)和功能原理，來指導和應用于工程實踐中的交叉學科，幾乎所有的學科都與仿生學相結合。
1.2結構仿生學簡介
結構仿生為力學仿生，主要是研究生物體本身和大自然的大致結構和精細的結構以及它們結構的力學性能，根據(jù)這些性能設計出具有優(yōu)良力學性能的建筑、工業(yè)產(chǎn)品等。馬克思曾經(jīng)贊嘆過蜜蜂建造的蜂巢，是一種六邊形的網(wǎng)狀結構，它的優(yōu)點是結構穩(wěn)定、孔隙率低、容量大等優(yōu)點，設計師受到蜂巢的啟發(fā)，把懸索橋的主纜截面也設計成六邊形的網(wǎng)格狀，增強了橋梁的穩(wěn)固性。
1.3結構仿生學的應用
目前，結構仿生學已經(jīng)應用在建筑、工業(yè)設計等方面得到了應用。建筑仿生主要是以自然界生物體的外部形態(tài)和組織結構為依據(jù)，探索其中的建造規(guī)律，將研究的成果運用到建筑設計中來。工業(yè)設計中運用的仿生，主要是從產(chǎn)品的形態(tài)設計、色彩設計、結構設計、質感和肌理設計等方面進行的，結構仿生在工業(yè)設計中的應用主要是通過對各種生物體的內部結構原理分析和研究，去除無關的因素、加以簡化，構建一個生物模型，研究其結構用于工業(yè)設計。另外，還有服飾設計，也用到了仿生學。服仿生設計是采用象征的具體手法和隱喻的抽象手法來實現(xiàn)的。如原始社會的非洲人頭上插著翎毛。現(xiàn)代的服飾仿生設計包括造型仿生設計、色彩仿生設計、面料仿生。
2工程機械行業(yè)發(fā)展概述
2.1工程機械行業(yè)的誕生與發(fā)展
隨著社會的發(fā)展和人類科技的進步，人類利用自然和改造自然的能力也在不斷增強。從第一次人類的工業(yè)革命開始，就把人類帶入了機器和蒸汽時代，人類改造自然的能力在蒸汽的自動化推動下，進一步提高，生產(chǎn)方式上由機器代替手工。第二次工業(yè)革命出現(xiàn)電力、煤炭等新能源，內燃機的出現(xiàn)帶來了輪船、飛機、汽車等新的高效的交通工具，開闊了人類的視野，機械工程行業(yè)也是在這個時候日益發(fā)展壯大的，變成了人類利用和改造自然的重要工具。第三次工業(yè)革命是科技信息的快速發(fā)展，推動了社會變革和進步，技術的推動催生了工程機械行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。
2.2現(xiàn)有工程機械產(chǎn)品
中國在目前的國際市場上，是世界上工程機械生產(chǎn)大國，產(chǎn)量居全球第三位。在生產(chǎn)的機械產(chǎn)品中，裝載機和挖掘機等這些土石方方面的工程機械，是世界上銷量最大、市場最大的，尤其是土方裝載機。挖掘機主要用在土建施工、公共設施建設等領域，而小型挖掘機也占據(jù)著不小的市場份額。由于國產(chǎn)技術的落后，中高端產(chǎn)品還是主要依賴進口，挖掘機也主要由國外的品牌主導。
2.3我國工程機械行業(yè)的發(fā)展
我國機械行業(yè)的起步并不晚，但由于其他的各種復雜的原因導致發(fā)展緩慢，1978年之后，我國的工程機械行業(yè)隨著“工程機械管理專業(yè)局”的成立而形成。在經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展，我國已經(jīng)擁有了一大批具有基礎實力的生產(chǎn)工程機械產(chǎn)品的公司，而現(xiàn)代化的發(fā)展以及基礎設施建設項目的增大加速了機械行業(yè)的發(fā)展。2010-2011年，我國的機械工程行業(yè)迎來極大的一次發(fā)展，三一重工的入圍工程機械行業(yè)的世界500強，進一步發(fā)展壯大了我國的工程機械行業(yè)的快速發(fā)展。
2.4我國的工程機械行業(yè)存在的問題
工程機械行業(yè)的技術發(fā)展代表國家的重型裝備的制造水平，我國的機械行業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展快，生產(chǎn)的工程機械產(chǎn)品一方面要滿足國內需求，另一方面還要擴大海外市場，有些公司已經(jīng)完成了產(chǎn)品的設計和制造。但我國的機械產(chǎn)品層次較低，質量、可靠性等指標與國際相差甚遠，有些核心部件和關鍵零部件，由于技術、材料等方面的差異，難以有較大的突破，對國外產(chǎn)品依舊依賴，制約了我國機械行業(yè)的發(fā)展。
3結構仿生學的現(xiàn)狀
3.1國外研究現(xiàn)狀
德國弗朗豪夫研究所利用仿生學原理對機床系統(tǒng)分析和改進，研究了效能的提升方法。美國的賓夕法尼亞大學利用測力儀做了相關的測量，分析了目前骨關節(jié)的結構力學國內外研究現(xiàn)狀。還有美國的研究者Menon和Stitti主要對壁虎的攀爬研究，利用仿生學原理制造出仿生機器人。曼徹斯特大學的LinChen，LeiRen探索了生物體的肌肉對肌肉骨骼的作用，為仿生機器人的研究提供依據(jù)。
3.2國內的研究現(xiàn)狀
我國對結構仿生學開展研究的科研機構有吉林大學、南京航空航天大學以及北京理工大學等。其中研究的內容主要在對生物的表面脫附的研究、結構仿生優(yōu)化的研究等方面。張靜霞對人體的關節(jié)、手指、手臂等的相關研究，歸納了仿生的運動副的基本分類及結構形式，從而給仿生機器人的相關的結構設計奠定了基礎，提供了依據(jù)。陳五一等根據(jù)仿生學的原理，對機床仿生優(yōu)化，得出模仿人類骨骼結構的仿生結構，優(yōu)化效果明顯。吉林大學對工程仿生學的研究，主要是在仿生表面脫附上，研究的成果已經(jīng)用于工程中。岑海棠等在分析仿生學演變的基礎上，強調了多學科協(xié)作，以及仿生理論的重要性。楊繪宇等根據(jù)蝗蟲的身體構造，建立模型，研究了影響蝗蟲跳躍的關鍵因素，為機器人的進一步研究提供理論基礎。錢歡歡，吳小涵等通過對建筑個例的分析，提出建議，并對仿生學在建筑中的應用進行展望。
4課題研究意義
4.1結構仿生學理論研究和典型生物結構的力學特性分析
結構仿生學是學習和模仿自然界生物的優(yōu)秀結構的一種設計手段，具有創(chuàng)新性。是一種單元性的仿生學，它與其他的學科具有相對有限的聯(lián)系，其實目前并沒有形成一套完整有效的結構仿生學的研究機制，而且研究的內容以及研究方法都有很大的隨機性，內容和方法可以彼此借鑒，而且有限。本文主要從結構仿生學的學科聯(lián)系和與工程機械結合的關系、結構仿生學的理論基礎等方面進行論述，加強了對結構仿生學的認識，加深了對仿生學的研究成果的認識及了解，對于我們生物力學及結構設計等這些學科內容的認識也有很大的幫助。
4.2對工程結構設計的創(chuàng)新性研究
我國的機械工程產(chǎn)品多是參考國外已有的產(chǎn)品，是“中國制造”而不是“中國創(chuàng)造”，結構設計的模式相對已經(jīng)固定，積累的數(shù)據(jù)不足，通過分析機械工程和生物結構的關系，以力學為基礎，有利于啟發(fā)結構創(chuàng)新的靈感，改善難以突破的設計瓶頸。對生物的器官組織分析探索，可以改變傳統(tǒng)的設計思維，增加的各種各樣的機械產(chǎn)品結構設計的相通性。
4.3工程機械仿生結構進行力學分析
對于那些根據(jù)仿生學設計出的結構，必須要進行強度和剛度的校核和工程結構的相互轉化，可以多次反復的進一步優(yōu)化，這樣才能進行下一步的試驗以及推廣應用。例如設計出來的仿生斗桿的結構、仿生底架結構的部分零件，我們必須要進行相關的有限元的靜力學分析，之后還要把傳統(tǒng)結構以及仿生結構的力學方面具有的特性進行對比，只有通過這些步驟才能確定仿生結構所能達到的優(yōu)化程度，才能確定可以進一步試驗和推廣應用。
5結束語
人的創(chuàng)造欲望推動了創(chuàng)新的發(fā)展，創(chuàng)新的靈感來自社會和自然，我們的創(chuàng)新產(chǎn)品是為自然和社會服務的。研究仿生學在工業(yè)機械設計中的應用，是為了創(chuàng)造更多的高效的產(chǎn)品為社會和人類及自然服務，促進國家的機械產(chǎn)品的發(fā)展，使我國的機械產(chǎn)品走向世界。
參考文獻
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