結構仿生學(xué)在工程機械結構設計上的應用研究論文
摘要：仿生學(xué)是一門(mén)綜合性較強的學(xué)科，目前已經(jīng)廣泛應用于各項工業(yè)設計，在工程機械結構的設計過(guò)程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能開(kāi)辟出革命性的設計思路，從而讓工程機械更好地為人們服務(wù)。本文從形態(tài)、結構、功能三個(gè)方面詳細地介紹了仿生學(xué)的基本概念，并且就結構仿生在工程機械結構設計上的具體應用進(jìn)行了細致說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：結構仿生學(xué)；工程機械；結構設計；應用研究
在自然界中，每一種生物都經(jīng)歷了億萬(wàn)年的自然進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰，最終能夠生存下來(lái)的物種必定擁有一些非同尋常的能力和特性。仿生學(xué)正是通過(guò)研究生物物種的某些結構、形態(tài)以及功能特性來(lái)模仿設計出相應的機械設備和裝置，進(jìn)而更好地服務(wù)于社會(huì )，提升人們生產(chǎn)生活的品質(zhì)。許多工程機械設備的發(fā)明改進(jìn)都與仿生學(xué)有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，例如最初飛機的發(fā)明就是基于結構仿生學(xué)的設計理念，對鳥(niǎo)類(lèi)身體構造進(jìn)行仿生，最終制造出能夠像鳥(niǎo)類(lèi)一樣飛翔的機械。仿生學(xué)是一門(mén)綜合性較強的學(xué)科，目前已經(jīng)開(kāi)始應用于各項工業(yè)設計，在工程機械結構的設計過(guò)程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能探索并開(kāi)辟出革命性的設計思路。
1仿生學(xué)的基本概念和理論
仿生學(xué)是一門(mén)綜合性十分強的古老學(xué)科，包含了自然生物學(xué)、材料物理學(xué)和數學(xué)建模等多種知識的交叉[1]，主要研究對象囊括動(dòng)物、植物和微生物在內的整個(gè)自然界，可以說(shuō)，仿生學(xué)的應用研究是人類(lèi)不斷認識自然、了解自然、挖掘自然潛力的過(guò)程，總體來(lái)說(shuō)可以分為形態(tài)、功能和結構仿生。
1.1形態(tài)仿生
在自然界中，每種生物都擁有各自獨特的外在形態(tài)，而這些形態(tài)都是經(jīng)過(guò)上億年自然選擇的結果，其中必然隱藏著(zhù)某些物種賴(lài)以生存的特性能力。通過(guò)對生物形態(tài)的系統研究，工業(yè)產(chǎn)品對其形態(tài)進(jìn)行模仿再現，進(jìn)而還原這些生物特性并最終體現在產(chǎn)品之中。例如海豚具有流線(xiàn)型形態(tài)，在水中游動(dòng)時(shí)的阻力相對較少，因而游速較快，基于這一點(diǎn)，現在汽車(chē)外形大多數對海豚形態(tài)仿生，模仿設計出流線(xiàn)型的車(chē)身，這在很大程度上較少了汽車(chē)運行過(guò)程中的空氣阻力，提高了汽車(chē)的運動(dòng)性能。
1.2功能仿生
在自然界生存的每一種物種都具備與惡劣環(huán)境相抗衡的生存功能，正是這些功能保證它們能夠經(jīng)受得住“優(yōu)勝劣汰、適者生存”的自然法則。功能仿生就是通過(guò)研究生物體某些特殊功能并弄清其運作原理，進(jìn)而將這些功能應用到產(chǎn)品設計之中，使得產(chǎn)品具有生物體同等功能，同時(shí)這也是人類(lèi)不斷創(chuàng )新進(jìn)步的重要源泉。功能仿生在產(chǎn)品設計中的應用十分廣泛，例如蝙蝠具有發(fā)射超聲波的功能，所以能夠夜間飛行，設計者對這一功能進(jìn)行仿生最終制造出雷達，并廣泛運用于軍事領(lǐng)域。
1.3結構仿生
在很久以前，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)始認識到不同生物體結構各自所表現出迥異的功能特性，例如魚(yú)的尾巴能夠自由地控制方向；細長(cháng)的柳條能夠承受巨大的力矩；柔弱的蛛網(wǎng)可以經(jīng)受住大風(fēng)等。結構仿生主要以生物體的結構特點(diǎn)作為研究對象，并且對結構原理進(jìn)行深層次地剖析，進(jìn)而在產(chǎn)品設計中植入相應的構造已達到同等的功能效果。例如蜂窩結構是無(wú)數個(gè)正六邊形鑲嵌拼接而成，具有良好的穩定性，將這一結構應用到汽車(chē)輪胎之中能夠有效地控制輪胎形變，避免爆胎。
2結構仿生學(xué)在工程機械結構設計上的具體應用
工程機械在結構設計要綜合考慮各方面的因素，尺寸規格、部件連接和工作裝置對機械性能都至關(guān)重要，因此結構仿生學(xué)應當從這幾方面入手對工程機械進(jìn)行仿生設計。
2.1外形尺寸的結構仿生應用
在生物界中，外形結構尺寸對于生物體的功能特性起著(zhù)十分關(guān)鍵的重要，例如螞蟻能夠運載比它身體質(zhì)量重數倍的物體，這在很大程度上歸功于螞蟻外形的尺寸構造。螞蟻的頭部和胸部結構緊湊且靈活，腹部與胸部間依靠三節腹柄來(lái)支撐受力，這些獨特的外形及合適的尺寸為其贏(yíng)得了“大力士”的美譽(yù)。通過(guò)對螞蟻身體的結構尺寸比例、重心位置及運動(dòng)方式的研究，設計人員對裝載機、挖掘機、自卸車(chē)等工程機械的外形尺寸進(jìn)行了結構仿生，重新定義了橋荷比值，而且也可以通過(guò)設計根據工況自動(dòng)調整的重力平衡裝置，從而保證了機械能夠在滿(mǎn)載情況下仍具有高穩定性和高效率作業(yè)能力。
2.2連接部件的結構仿生應用
在生物界生物一直都很擅長(cháng)利用有限的空間和結構以利于自身的運動(dòng)，增強對環(huán)境的適應能力。生物結構的受力情況十分均勻，很少出現應力過(guò)大的區域，所以形成的結構也多是優(yōu)化的力學(xué)結構�；谶@一點(diǎn)，工程機械中一些連接部件的設計都進(jìn)行了結構仿生，具體而言分為以下三種方式：（1）模仿竹節結構、樹(shù)木的板根結構、王蓮的網(wǎng)狀助板結構，對直接受力的支撐構件、主要受力結構進(jìn)行結構加強；（2）較多的采用光滑的'曲線(xiàn)作為結構的形線(xiàn)，能有效的減少由于形狀或結構的突變引起的應力集中現象。（3）改進(jìn)結構形式和潤滑條件，減少連接結構的能量損失，提高聯(lián)接結構的可靠性，延長(cháng)部件的使用壽命。
2.3工作裝置的結構仿生應用
人類(lèi)手的結構十分精巧，對人類(lèi)的生存來(lái)說(shuō)十分重要。人類(lèi)的手部結構緊湊，抓握動(dòng)作靈活穩定，功能強大。人們對了人類(lèi)部結構的研究巳有較長(cháng)的歷史。而真意義上能實(shí)現靈活動(dòng)作的仿生則是僅有幾十年的時(shí)間。由于“靈巧”的研究具有很強的應用價(jià)值，各國對其都格外重視，也是少數幾個(gè)一直沒(méi)有聞斷的仿生學(xué)研究課題，美國、本、歐洲等國都在“靈巧手”方而的研究投入了大量的科研精力，由德國中航中心與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)的HIT/DLR機器人靈巧手，結構和功能與人體手幾乎一樣，可以自由活動(dòng)并能夠輕松提取重物[2]。
總而言之，隨著(zhù)人類(lèi)對自然界的不斷探索和了解，許多生物體結構的仿生功能將會(huì )廣泛應用工程機械設計之中，這將極大地提高機械性能，進(jìn)而更好地為整個(gè)社會(huì )服務(wù)。
參考文獻
[1] 葉青會(huì )；陶健等 仿生學(xué)原理在空間結構中的應用[J] 結構工程師，2010（26）
[2] 陶校文 工程機械結構設計中結構仿生學(xué)的應用探究[J] 科學(xué)與財富，2015（04）
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