正軌箱梁橫向肋的竹子結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計(jì)

摘要： 為了使起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)輕量化，以竹子為仿生對(duì)象對(duì)正軌箱梁橫向肋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).通過研究竹子結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的自然分布特性與受力特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同受力截面對(duì)應(yīng)不同的等效節(jié)間距；考慮加勁肋間距對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度指標(biāo)的影響，設(shè)定加勁肋極限間距，建立了正軌箱梁加勁肋變間距等穩(wěn)定性優(yōu)化策略，結(jié)合有限元彈性屈曲分析進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了加勁肋變間距等穩(wěn)定性設(shè)計(jì).研究表明：優(yōu)化求解速率隨偏差率增大而增大；仿生箱梁較傳統(tǒng)箱梁加勁肋數(shù)量由15道減小為10道，兩根主梁重量減輕136.12 kg；各截面屈曲抗失穩(wěn)能力差異減小，同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求.

關(guān)鍵詞： 仿生學(xué)；竹子；起重機(jī)箱梁；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TH213.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ABionics Design of Transverse Stiffener in

起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)動(dòng)作時(shí)能耗量巨大，通過結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，可以減輕起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)自重，減小起重機(jī)大（小）車運(yùn)行阻力，最終實(shí)現(xiàn)較低的運(yùn)行能耗.針對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)問題，研究人員采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行材料替換[13]，或?qū)Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化[4]，但這些工作仍未突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，造成箱梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量過大.在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)件的承力性能，必須找到新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和思路.自然界中的生物體在環(huán)境中長(zhǎng)期進(jìn)化，在結(jié)構(gòu)與功能原理方面具有比人造機(jī)器更高的優(yōu)越性，為人類解決工程技術(shù)問題提供了大量設(shè)計(jì)原型和創(chuàng)造性改進(jìn)方法[5].

竹子是天然的輕量化結(jié)構(gòu)，竹節(jié)不僅具有防止彎曲及屈曲的加勁肋作用，還具有防止纖維組織在軸向裂紋擴(kuò)展的作用[68].在竹子細(xì)觀結(jié)構(gòu)仿生學(xué)應(yīng)用研究方面，文獻(xiàn)[9]中運(yùn)用竹子莖稈截面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了圓柱殼體的結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)效能提高124.8%.文獻(xiàn)[10]中借鑒竹子莖稈截面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形狀和排列方式，對(duì)翼身結(jié)合框進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計(jì).已有文獻(xiàn)均未涉及利用竹子宏觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行仿生學(xué)設(shè)計(jì).本文以竹子為研究對(duì)象，研究竹子莖稈結(jié)構(gòu)參數(shù)（壁厚、直徑、節(jié)間距）分布特性與受力特性之間的關(guān)系，指導(dǎo)正軌箱梁橫向肋的仿生布置設(shè)計(jì)，為箱梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路.1竹子莖稈結(jié)構(gòu)的構(gòu)型規(guī)律相似是仿生的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)、受力和功能方面，全面系統(tǒng)地理解生物體和工程原型間的相似性是結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.竹子為高長(zhǎng)細(xì)比含莖稈節(jié)（加勁肋）空心結(jié)構(gòu)，在生長(zhǎng)環(huán)境中莖稈承受風(fēng)載、西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷第2期付為剛等：正軌箱梁橫向肋的竹子結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計(jì)自重等引起的彎矩、剪力和扭矩的作用，具有極強(qiáng)的抗彎力和抗折力.在結(jié)構(gòu)上正軌箱梁同樣為高長(zhǎng)細(xì)比含加勁肋空心結(jié)構(gòu)，在工作過程中主要承受彎矩、剪力和扭矩的作用，其在結(jié)構(gòu)特性和受力特性方面與竹子存在相似性.1.1竹子結(jié)構(gòu)參數(shù)自然分布特性記竹子底部至頂部節(jié)數(shù)依次為1，2，…，k，…，N，運(yùn)用游標(biāo)卡尺測(cè)量綠竹莖稈的宏觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù).莖稈壁厚分布規(guī)律如圖1所示.由圖1可知，竹子莖稈壁厚并不均勻，受壓區(qū)較受拉區(qū)厚度要相對(duì)大些，從底部到頂部壁厚總體上呈減小趨勢(shì)，圖2為莖稈平均直徑分布規(guī)律.由圖2看出，從底部到頂部莖稈平均直徑逐漸減小，且減小趨勢(shì)近似呈線性關(guān)系，因此，可將竹子視為圓錐殼結(jié)構(gòu).

5結(jié)束語(yǔ)本文定義了間距變化搜索算子和局部（終止）收斂判據(jù)，確立箱梁變間距等穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)策略；根據(jù)加勁肋間距對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，設(shè)定加勁肋仿生優(yōu)化極限間距.經(jīng)實(shí)例研究表明：

（1） 優(yōu)化求解速率與偏差率大小緊密相關(guān)，偏差率越大，收斂速率越快.當(dāng)偏差率為2%時(shí)，優(yōu)化后單根主梁加勁肋數(shù)目由15道減至10道，兩根主梁質(zhì)量減輕136.12 kg，間距分布范圍由0.445～0.530 m擴(kuò)大至0.550～1.100 m，主梁屈曲載荷比值分布相對(duì)均勻，且最大值由34.20降到18.54.

（2） 正軌箱梁加勁肋間距優(yōu)化前后，箱梁強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)指標(biāo)差異較小、均能滿足設(shè)計(jì)要求，與經(jīng)驗(yàn)公式分析結(jié)果相一致.

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