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工程機械結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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。本文通過研究工程機械設計中的仿生學，本文通過對工程機械的結(jié)構(gòu)仿生學設計方法進行探索和研究，對工程機械的斗桿結(jié)構(gòu)和底架結(jié)構(gòu)進行了仿生學設計，并對其進行了有限元的靜力學分析。
關(guān)鍵詞：工程機械；結(jié)構(gòu)仿生；設計
仿生學利用自然中的生物，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，把靈感用于工程機械相關(guān)產(chǎn)品的設計構(gòu)思上來，而根據(jù)這些生物的結(jié)構(gòu)及仿生學的相關(guān)知識，把結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)合。
1.2結(jié)構(gòu)仿生學簡介
結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和精細的結(jié)構(gòu)以及它們結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)仿生學的應用
目前，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計、質(zhì)感和肌理設計等方面進行的，結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)原理分析和研究，去除無關(guān)的因素、加以簡化，構(gòu)建一個生物模型，研究其結(jié)構(gòu)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�，F(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(nèi)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(shù)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(lǐng)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(shù)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?qū)е掳l(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(chǔ)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(chǔ)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(shù)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(nèi)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(zhì)量、可靠性等指標與國際相差甚遠，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(jié)構(gòu)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(guān)的測量，分析了目前骨關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)力學國內(nèi)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(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國對結(jié)構(gòu)仿生學開展研究的科研機構(gòu)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(nèi)容主要在對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，歸納了仿生的運動副的基本分類及結(jié)構(gòu)形式，從而給仿生機器人的相關(guān)的結(jié)構(gòu)設計奠定了基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)的仿生結(jié)構(gòu)，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(chǔ)上，強調(diào)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(gòu)造，建立模型，研究了影響蝗蟲跳躍的關(guān)鍵因素，為機器人的進一步研究提供理論基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)仿生學理論研究和典型生物結(jié)構(gòu)的力學特性分析
結(jié)構(gòu)仿生學是學習和模仿自然界生物的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)仿生學的研究機制，而且研究的內(nèi)容以及研究方法都有很大的隨機性，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)仿生學的學科聯(lián)系和與工程機械結(jié)合的關(guān)系、結(jié)構(gòu)仿生學的理論基礎(chǔ)等方面進行論述，加強了對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計等這些學科內(nèi)容的認識也有很大的幫助。
4.2對工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的關(guān)系，以力學為基礎(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(jié)構(gòu)設計的相通性。
4.3工程機械仿生結(jié)構(gòu)進行力學分析
對于那些根據(jù)仿生學設計出的結(jié)構(gòu)，必須要進行強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(jié)構(gòu)、仿生底架結(jié)構(gòu)的部分零件，我們必須要進行相關(guān)的有限元的靜力學分析，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(jié)構(gòu)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(jié)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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