智能垃圾桶蓋體的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 娟 陰澤群 戴湘軍 王 康 霍 昕*

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300000）

自然界中的生物為人類的創(chuàng)新提供了不竭的靈感[1]。此垃圾桶開蓋設(shè)計(jì)以生物啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念為出發(fā)點(diǎn)，將扇貝類生物的開合結(jié)構(gòu)引入智能垃圾桶開蓋裝置，對(duì)貝殼的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)化，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的限制條件，最后通過(guò)力學(xué)分析模塊，對(duì)垃圾桶開蓋結(jié)構(gòu)的受力、變形進(jìn)行強(qiáng)度分析，依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 生物啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理（圖1-2）

圖1 貽貝形狀

1.1 生物啟發(fā)的第一步“仿形”

生物原型與技術(shù)系統(tǒng)之間的功能相似性是生物啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[7-9]。設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵都是利用功能相似性來(lái)確定設(shè)計(jì)問(wèn)題與生物原型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)分析和利用與設(shè)計(jì)問(wèn)題密切相關(guān)的生物原型，啟發(fā)產(chǎn)生設(shè)計(jì)方案。[2-3]生物的生存技能和對(duì)應(yīng)的生理結(jié)構(gòu)是生物實(shí)現(xiàn)某一特定功能通過(guò)大自然的優(yōu)化和篩選后的解決方案。根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的開蓋結(jié)構(gòu)，我們從相似性，結(jié)合類比，搜尋來(lái)源于生物的結(jié)構(gòu)模型，將生物結(jié)構(gòu)特征與待設(shè)計(jì)的垃圾桶的功能相對(duì)應(yīng)。我們采取的模型最初有豬籠草，捕蠅草，絕大部分的哺乳動(dòng)物的嘴，貝殼類的開合裝置，對(duì)生物原型在功能上進(jìn)行了一定的優(yōu)化和適當(dāng)?shù)母牧迹治錾镌椭械脑怼⒔Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)效果等不同方面的想法可實(shí)現(xiàn)性，最終我們對(duì)比了貽貝貝殼的外形和結(jié)構(gòu)，貽貝在貝類分類學(xué)上隸屬軟體動(dòng)物門，瓣鰓綱，異柱目，貽貝族，貽貝科，是一種營(yíng)足絲附著生活的雙殼類軟體動(dòng)物。[5]其形狀和我們最初設(shè)想的垃圾桶開蓋外形達(dá)到高度的吻合，因此確定了以貽貝貝殼為原型的開蓋結(jié)構(gòu)。

1.2 生物啟發(fā)的第二步“仿型”

圖2 貽貝的構(gòu)造

生物啟發(fā)的第二步“仿型”是進(jìn)行兩種模式的生物啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：一類是基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，尋找相關(guān)聯(lián)的生物類型；另一類是通過(guò)生物原型驅(qū)動(dòng)解決實(shí)際問(wèn)題的設(shè)計(jì)。根據(jù)垃圾桶開蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，對(duì)比多種生物原型，最終選定以厚殼貽貝貝殼的開合結(jié)構(gòu)作為生物模型。厚殼貽貝貝殼的張開與閉合兩個(gè)過(guò)程由殼體內(nèi)部的閉殼肌體系控制，閉殼體系包括閉殼肌及其周圍的彈性連接韌帶。貽貝貝肉與貝殼的連接包括閉殼肌連接及外套膜連接，其中強(qiáng)度最大的為后閉殼肌與貝殼的連接。[6]通過(guò)對(duì)貝殼的構(gòu)造進(jìn)行分析將其數(shù)據(jù)化，初步建立了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并計(jì)算自由度和受力情況，計(jì)算對(duì)應(yīng)的限制條件。通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，最終得出類似于貽貝貝殼開合的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式概述

圖3 為垃圾桶蓋結(jié)構(gòu)的側(cè)面三維模型圖，整個(gè)機(jī)構(gòu)是通過(guò)直線滑槽的中心線對(duì)稱的，相同顏色的構(gòu)件大小尺寸完全相同。兩黃色桿的交點(diǎn)處下方安裝有一滑塊，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與之連接，滑塊沿著滑槽的往復(fù)移動(dòng)可帶動(dòng)黃色桿的擺動(dòng)，①黃色桿的擺動(dòng)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)門的張開和閉合。①號(hào)黃色桿通過(guò)擺動(dòng)帶動(dòng)②號(hào)藍(lán)色構(gòu)件繞著中心C1 轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而藍(lán)色構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)③號(hào)紅色構(gòu)件在圓形滑槽中運(yùn)動(dòng)。①、②構(gòu)件之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。②號(hào)構(gòu)件繞著其固定的中心位置轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與機(jī)架④通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。②號(hào)構(gòu)件與③號(hào)構(gòu)件不發(fā)生任何相對(duì)運(yùn)動(dòng),②號(hào)構(gòu)件的擺動(dòng)直接帶動(dòng)構(gòu)件③在滑槽中的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)整體對(duì)稱，其中①號(hào)黃色桿件為主動(dòng)件，①，①'黃色桿件通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副在O 點(diǎn)連接，并與一滑塊通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，滑塊在直線滑槽中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)①號(hào)黃色主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，①'黃色桿件將會(huì)和主動(dòng)件做速度相同方向相反的擺動(dòng)，從而帶動(dòng)各自連接的②號(hào)、②' 號(hào)藍(lán)色構(gòu)件做速度大小相同的轉(zhuǎn)動(dòng)，藍(lán)色構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)最終帶動(dòng)③，③' 兩個(gè)紅色構(gòu)件在圓形滑槽中的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋的張開和閉合。桶蓋的的張開和閉合與貝殼張嘴和閉嘴動(dòng)作相似，實(shí)現(xiàn)了開蓋結(jié)構(gòu)的仿生。如圖3 中（a）和（b）分別代表了垃圾桶蓋體的閉合張開和張開。

圖3 垃圾桶蓋體結(jié)構(gòu)的側(cè)面三維模型圖

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 自由度計(jì)算

如圖4 所示，由于該機(jī)構(gòu)為對(duì)稱虛約束，所以按對(duì)稱的一半來(lái)計(jì)算，其機(jī)構(gòu)自由度為：

圖4 開蓋仿生設(shè)計(jì)組件結(jié)構(gòu)示意圖

符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 靜應(yīng)力分析

通過(guò)SolidWorks 建模對(duì)開蓋運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬，在SolidWorks stimulation 中對(duì)其進(jìn)行實(shí)際使用中的最大接觸靜應(yīng)力分析。對(duì)于材料屬性，銷軸均設(shè)置為1060-H12，桿類零件的材料屬性設(shè)置為ABS 塑料。使用夾具將與軸連接的兩個(gè)桿件固定。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，要使開蓋結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)開合，就需要對(duì)上下蓋之間的連接軸進(jìn)行受力分析，經(jīng)過(guò)多次嘗試，在連接軸中心施加大小為1N 的力，同時(shí)設(shè)定方向?yàn)檠刂舷律w的對(duì)稱軸，就能夠滿足用力需求，接著對(duì)模型的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)定：網(wǎng)格密度為良好，網(wǎng)格參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格。完成以上處理后，運(yùn)算此算例，得到分析結(jié)果如圖5 所示，開蓋機(jī)構(gòu)在一個(gè)開合周期中的狀態(tài)良好。最后對(duì)算例結(jié)果進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖6 所示，該機(jī)構(gòu)仍呈現(xiàn)出良好的狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析側(cè)視圖

圖6 機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析截面圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)中針對(duì)生物啟發(fā)的靈活運(yùn)用，通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法將選取的生物結(jié)構(gòu)一步步拆分，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的自由度和機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力的力學(xué)測(cè)試和模擬分析，完成了開蓋機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)，研究了機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析截面受力特性，得出機(jī)構(gòu)自由度和最大靜態(tài)應(yīng)變力符合設(shè)計(jì)要求，是生物啟發(fā)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的一次重要嘗試和應(yīng)用。