在工程機械結構設計中結構仿生學的應用研究

竇志遠 曾瑞倩

摘 要：人的生活離不開自然界，現代所應用的很多工程機械設備都是模仿自然界生物設計出來的，這也是人們常說的仿生。在工程機械結構設計中結構仿生學的應用十分廣泛，也正是由于結構仿生學的存在促進了工程機械的發展。因此，本文將從結構仿生學基本情況入手，重點研究結構仿生學在工程機械結構設計中的應用。

關鍵詞：工程機械;結構設計;結構仿生學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.086

0 前言

所謂的仿生學實際上就是以自然生物為參照對象，通過觀察其結構特征，將有價值的內容應用到現代機械設計中，仿生學的應用相當廣泛，幾乎可以與所有學科相關聯。在仿生學的影響下，促進了現代工業發展，因此，有必要對工程機械結構設計中結構仿生學的應用展開研究。

1 結構仿生學概述

結構仿生學主要是將生物自然結構作為參展對象，然后對其結構特點進行全方面分析，以便改進現有材料或結構設計中存在的不足，以便有效提升結構效率，強化可靠性[1]。自然界所有生物都是仿生學的研究對象，而這些仿生學多被應用于建筑設計、機器人制作以及材料設計等[2]。自然生物多種多樣，不同的生物有著不同的功能，這也是工程建筑師所追求的方向，將結構仿生學應用到現代工程機械結構設計中，不僅可以最大程度的滿足實際需求，還能保證設計合理，強化系統性與整體性。如裝載機的設計就是應用了結構仿生學，主要參照對象為螞蟻。很多工程機械結構的設計都是對自然生物的模仿，都是結構仿生學的體現，因此，應重視結構仿生學在工程機械結構設計中的應用。

2 工程機械結構設計中結構仿生學設計方式

通過對現代工程機械結構設計研究可以發現，多數工程機械結構均以箱型為主，結構材料為低合金高強度鋼，之所以采用這種材料，主要在于可以最大程度的節約材料，再加上其質地較輕，所以有效降低了結構部件整體重量[3]。而這種部件多應用在挖掘機中，因此，有必要將挖掘機結構設計仿生學設計作為研究對象。

（1）生物結構特征分析。生物之所以能夠在自然界中生存與發展，主要是由于其結構特征與自然界環境相吻合，即不存在“短缺”的情況，也不存在“過度浪費”的現象。在將結構仿生設計應用到工程機械結構設計的過程中，應了解結構仿生設計特點，具體表現在以下幾方面：第一，生命結構受力情況以簡化為主，其作用在于將受力分在各個階層中，以便更好的強化結構力學性能。第二，多數生物都會通過加強結構質量等措施確保結構在受力下始終處于穩定狀態。只有了解了這些內容，才可以真正做好工程機械結構設計。

（2）挖掘機斗桿仿生結構設計。在挖掘機斗桿仿生結構設計中，無論使用哪種工作裝置，大臂與斗桿都會被存留下來，主要改變的是末端設備，由于末端設備的不同，挖掘機的受力情況也會不同，進而對斗桿結構產生影響。所以，這就需要斗桿具有良好的力學性能。如設計挖掘機斗桿的過程中，應先計算好參數，在這一過程中應先設置好斗的實際容量，一般不超過1.2m3，挖掘機的重量則在25噸左右，運行功率則在120kW，這時就需要根據這些要素利用公式計算好參數指標，計算公式為，在該公式中，代表的是斗桿尺寸，而其中的i則表示的是結構部件，G所代表的是挖掘機實際重量[4]。經過計算基本可以確定斗桿尺寸最好控制在0.8左右，只有這樣才能保證設計合理，同時，繪制出斗桿計算位置圖，并按照該位置圖做好進一步的計算（如下圖1所示）。

在挖掘機斗桿中空結構設計中，主要參照的是動物的骨骼，通過研究發現，自然生物的骨骼密度多低于鐵密度的三倍左右，但其柔性則強于鐵的十倍，可見，生物具有良好的可塑性，所以這就需要加大對自然生物中空結構的分析，并將其應用到工程機械結構設計中。如斗桿主要為箱型，板厚為20mm，所以，在實際設計的過程中應控制好筋寬度，最大不超過20mm，同時在側板出做好筋板加固設置，且將多余材料去除，如下圖2所示，這樣的設計方式不僅可以有效減輕肋板整體重量，還能促進斗板整體強度提升。

同時，還要加大對肋板結構的關注，該部分的設計可以參照王蓮葉脈的分布情況設計。采取這樣的設計方式彌補很可以有效增強挖掘機的整體穩定性，還能使挖掘機運行更加良好。而層級結構的設計則可以參照仙人柱的外形，保證設計具有良好的抗彎性，這些都是挖掘機設計中十分重要的一部分。

3 結束語

總的來說，將結構仿生設計應用到現代工程機械結構設計中，已經成為現代趨勢，正確應用結構仿生設計可以有效提升工程機械穩定性，強化整體性。

參考文獻：

[1]何亞銀. 逆向工程在結構仿生設計中的應用研究[J]. 陜西理工學院學報（自然科學版），2012，01：11-14.

[2]趙嶺，王婷. 結構仿生設計方法及其在機械領域中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術，2012，04：12-15.

[3]王立新，高雅妍. 農業機械領域的工程仿生研究概況與應用前景[J]. 河北科技大學學報，2014，04：309-317.