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工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用探究論文
摘要：“仿生”是人們從自然界及生物體結(jié)構(gòu)吸取靈感和經(jīng)驗(yàn)的一種重要方法。隨著科技的發(fā)展和人類的進(jìn)步，現(xiàn)代的科學(xué)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(jié)構(gòu)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(guò)研究工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)，本文通過(guò)對(duì)工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探索和研究，對(duì)工程機(jī)械的斗桿結(jié)構(gòu)和底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了有限元的靜力學(xué)分析。
關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；結(jié)構(gòu)仿生；設(shè)計(jì)
仿生學(xué)利用自然中的生物，主要是生物的結(jié)構(gòu)、材料以及形態(tài)這些方面，人類從分析生物體的這些結(jié)構(gòu)得到靈感，把靈感用于工程機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)思上來(lái)，而根據(jù)這些生物的結(jié)構(gòu)及仿生學(xué)的相關(guān)知識(shí)，把結(jié)構(gòu)仿生學(xué)應(yīng)用于工程機(jī)械中，創(chuàng)造出更多有價(jià)值、有意義的產(chǎn)品，推動(dòng)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。
1仿生學(xué)簡(jiǎn)介
1.1仿生學(xué)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(xué)習(xí)方式。仿生學(xué)是利用自然界中生物的材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能原理，來(lái)指導(dǎo)和應(yīng)用于工程實(shí)踐中的交叉學(xué)科，幾乎所有的學(xué)科都與仿生學(xué)相結(jié)合。
1.2結(jié)構(gòu)仿生學(xué)簡(jiǎn)介
結(jié)構(gòu)仿生為力學(xué)仿生，主要是研究生物體本身和大自然的大致結(jié)構(gòu)和精細(xì)的結(jié)構(gòu)以及它們結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，根據(jù)這些性能設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良力學(xué)性能的建筑、工業(yè)產(chǎn)品等。馬克思曾經(jīng)贊嘆過(guò)蜜蜂建造的蜂巢，是一種六邊形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙率低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)師受到蜂巢的啟發(fā)，把懸索橋的主纜截面也設(shè)計(jì)成六邊形的網(wǎng)格狀，增強(qiáng)了橋梁的穩(wěn)固性。
1.3結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用
目前，結(jié)構(gòu)仿生學(xué)已經(jīng)應(yīng)用在建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面得到了應(yīng)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(jié)構(gòu)為依據(jù)，探索其中的建造規(guī)律，將研究的成果運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中來(lái)。工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的仿生，主要是從產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、質(zhì)感和肌理設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)仿生在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是通過(guò)對(duì)各種生物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理分析和研究，去除無(wú)關(guān)的因素、加以簡(jiǎn)化，構(gòu)建一個(gè)生物模型，研究其結(jié)構(gòu)用于工業(yè)設(shè)計(jì)。另外，還有服飾設(shè)計(jì)，也用到了仿生學(xué)。服仿生設(shè)計(jì)是采用象征的具體手法和隱喻的抽象手法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如原始社會(huì)的非洲人頭上插著翎毛�，F(xiàn)代的服飾仿生設(shè)計(jì)包括造型仿生設(shè)計(jì)、色彩仿生設(shè)計(jì)、面料仿生。
2工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展概述
2.1工程機(jī)械行業(yè)的誕生與發(fā)展
隨著社會(huì)的發(fā)展和人類科技的進(jìn)步，人類利用自然和改造自然的能力也在不斷增強(qiáng)。從第一次人類的工業(yè)革命開始，就把人類帶入了機(jī)器和蒸汽時(shí)代，人類改造自然的能力在蒸汽的自動(dòng)化推動(dòng)下，進(jìn)一步提高，生產(chǎn)方式上由機(jī)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(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)帶來(lái)了輪船、飛機(jī)、汽車等新的高效的交通工具，開闊了人類的視野，機(jī)械工程行業(yè)也是在這個(gè)時(shí)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(dòng)了社會(huì)變革和進(jìn)步，技術(shù)的推動(dòng)催生了工程機(jī)械行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。
2.2現(xiàn)有工程機(jī)械產(chǎn)品
中國(guó)在目前的國(guó)際市場(chǎng)上，是世界上工程機(jī)械生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量居全球第三位。在生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品中，裝載機(jī)和挖掘機(jī)等這些土石方方面的工程機(jī)械，是世界上銷量最大、市場(chǎng)最大的，尤其是土方裝載機(jī)。挖掘機(jī)主要用在土建施工、公共設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域，而小型挖掘機(jī)也占據(jù)著不小的市場(chǎng)份額。由于國(guó)產(chǎn)技術(shù)的落后，中高端產(chǎn)品還是主要依賴進(jìn)口，挖掘機(jī)也主要由國(guó)外的品牌主導(dǎo)。
2.3我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展
我國(guó)機(jī)械行業(yè)的起步并不晚，但由于其他的各種復(fù)雜的原因?qū)е掳l(fā)展緩慢，1978年之后，我國(guó)的工程機(jī)械行業(yè)隨著“工程機(jī)械管理專業(yè)局”的成立而形成。在經(jīng)過(guò)了二十幾年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)擁有了一大批具有基礎(chǔ)實(shí)力的生產(chǎn)工程機(jī)械產(chǎn)品的公司，而現(xiàn)代化的發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的增大加速了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。2010-2011年，我國(guó)的機(jī)械工程行業(yè)迎來(lái)極大的一次發(fā)展，三一重工的入圍工程機(jī)械行業(yè)的世界500強(qiáng)，進(jìn)一步發(fā)展壯大了我國(guó)的工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。
2.4我國(guó)的工程機(jī)械行業(yè)存在的問(wèn)題
工程機(jī)械行業(yè)的技術(shù)發(fā)展代表國(guó)家的重型裝備的制造水平，我國(guó)的機(jī)械行業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展快，生產(chǎn)的工程機(jī)械產(chǎn)品一方面要滿足國(guó)內(nèi)需求，另一方面還要擴(kuò)大海外市場(chǎng)，有些公司已經(jīng)完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。但我國(guó)的機(jī)械產(chǎn)品層次較低，質(zhì)量、可靠性等指標(biāo)與國(guó)際相差甚遠(yuǎn)，有些核心部件和關(guān)鍵零部件，由于技術(shù)、材料等方面的差異，難以有較大的突破，對(duì)國(guó)外產(chǎn)品依舊依賴，制約了我國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。
3結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的現(xiàn)狀
3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
德國(guó)弗朗豪夫研究所利用仿生學(xué)原理對(duì)機(jī)床系統(tǒng)分析和改進(jìn)，研究了效能的提升方法。美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)利用測(cè)力儀做了相關(guān)的測(cè)量，分析了目前骨關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)力學(xué)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。還有美國(guó)的研究者M(jìn)enon和Stitti主要對(duì)壁虎的攀爬研究，利用仿生學(xué)原理制造出仿生機(jī)器人。曼徹斯特大學(xué)的LinChen，LeiRen探索了生物體的肌肉對(duì)肌肉骨骼的作用，為仿生機(jī)器人的研究提供依據(jù)。
3.2國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)開展研究的科研機(jī)構(gòu)有吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)以及北京理工大學(xué)等。其中研究的內(nèi)容主要在對(duì)生物的表面脫附的研究、結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化的研究等方面。張靜霞對(duì)人體的關(guān)節(jié)、手指、手臂等的相關(guān)研究，歸納了仿生的運(yùn)動(dòng)副的基本分類及結(jié)構(gòu)形式，從而給仿生機(jī)器人的相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，提供了依據(jù)。陳五一等根據(jù)仿生學(xué)的原理，對(duì)機(jī)床仿生優(yōu)化，得出模仿人類骨骼結(jié)構(gòu)的仿生結(jié)構(gòu)，優(yōu)化效果明顯。吉林大學(xué)對(duì)工程仿生學(xué)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(xué)演變的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)了多學(xué)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(gòu)造，建立模型，研究了影響蝗蟲跳躍的關(guān)鍵因素，為機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。錢歡歡，吳小涵等通過(guò)對(duì)建筑個(gè)例的分析，提出建議，并對(duì)仿生學(xué)在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行展望。
4課題研究意義
4.1結(jié)構(gòu)仿生學(xué)理論研究和典型生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析
結(jié)構(gòu)仿生學(xué)是學(xué)習(xí)和模仿自然界生物的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)手段，具有創(chuàng)新性。是一種單元性的仿生學(xué)，它與其他的學(xué)科具有相對(duì)有限的聯(lián)系，其實(shí)目前并沒(méi)有形成一套完整有效的結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的研究機(jī)制，而且研究的內(nèi)容以及研究方法都有很大的隨機(jī)性，內(nèi)容和方法可以彼此借鑒，而且有限。本文主要從結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的學(xué)科聯(lián)系和與工程機(jī)械結(jié)合的關(guān)系、結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的理論基礎(chǔ)等方面進(jìn)行論述，加強(qiáng)了對(duì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)仿生學(xué)的研究成果的認(rèn)識(shí)及了解，對(duì)于我們生物力學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等這些學(xué)科內(nèi)容的認(rèn)識(shí)也有很大的幫助。
4.2對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性研究
我國(guó)的機(jī)械工程產(chǎn)品多是參考國(guó)外已有的產(chǎn)品，是“中國(guó)制造”而不是“中國(guó)創(chuàng)造”，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模式相對(duì)已經(jīng)固定，積累的數(shù)據(jù)不足，通過(guò)分析機(jī)械工程和生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以力學(xué)為基礎(chǔ)，有利于啟發(fā)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的靈感，改善難以突破的設(shè)計(jì)瓶頸。對(duì)生物的器官組織分析探索，可以改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維，增加的各種各樣的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相通性。
4.3工程機(jī)械仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析
對(duì)于那些根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，必須要進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核和工程結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)化，可以多次反復(fù)的進(jìn)一步優(yōu)化，這樣才能進(jìn)行下一步的試驗(yàn)以及推廣應(yīng)用。例如設(shè)計(jì)出來(lái)的仿生斗桿的結(jié)構(gòu)、仿生底架結(jié)構(gòu)的部分零件，我們必須要進(jìn)行相關(guān)的有限元的靜力學(xué)分析，之后還要把傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)方面具有的特性進(jìn)行對(duì)比，只有通過(guò)這些步驟才能確定仿生結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的優(yōu)化程度，才能確定可以進(jìn)一步試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。
5結(jié)束語(yǔ)
人的創(chuàng)造欲望推動(dòng)了創(chuàng)新的發(fā)展，創(chuàng)新的靈感來(lái)自社會(huì)和自然，我們的創(chuàng)新產(chǎn)品是為自然和社會(huì)服務(wù)的。研究仿生學(xué)在工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，是為了創(chuàng)造更多的高效的產(chǎn)品為社會(huì)和人類及自然服務(wù)，促進(jìn)國(guó)家的機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展，使我國(guó)的機(jī)械產(chǎn)品走向世界。
參考文獻(xiàn)
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