結構仿生學在工程機械結構設計上的應用研究論文
結構仿生學在工程機械結構設計上的應用研究論文
摘要：仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經廣泛應用於各項工業設計，在工程機械結構的設計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械效能，甚至還有可能開闢出革命性的設計思路，從而讓工程機械更好地為人們服務。本文從形態、結構、功能三個方面詳細地介紹了仿生學的基本概念，並且就結構仿生在工程機械結構設計上的具體應用進行了細緻說明。
關鍵詞：結構仿生學；工程機械；結構設計；應用研究
在自然界中，每一種生物都經歷了億萬年的自然進化和優勝劣汰，最終能夠生存下來的物種必定擁有一些非同尋常的能力和特性。仿生學正是透過研究生物物種的某些結構、形態以及功能特性來模仿設計出相應的機械裝置和裝置，進而更好地服務於社會，提升人們生產生活的品質。許多工程機械裝置的發明改進都與仿生學有著千絲萬縷的聯絡，例如最初飛機的發明就是基於結構仿生學的設計理念，對鳥類身體構造進行仿生，最終制造出能夠像鳥類一樣飛翔的機械。仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經開始應用於各項工業設計，在工程機械結構的設計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械效能，甚至還有可能探索並開闢出革命性的設計思路。
1仿生學的基本概念和理論
仿生學是一門綜合性十分強的古老學科，包含了自然生物學、材料物理學和數學建模等多種知識的交叉[1]，主要研究物件囊括動物、植物和微生物在內的整個自然界，可以說，仿生學的應用研究是人類不斷認識自然、瞭解自然、挖掘自然潛力的過程，總體來說可以分為形態、功能和結構仿生。
1.1形態仿生
在自然界中，每種生物都擁有各自獨特的外在形態，而這些形態都是經過上億年自然選擇的結果，其中必然隱藏著某些物種賴以生存的特效能力。透過對生物形態的系統研究，工業產品對其形態進行模仿再現，進而還原這些生物特性並最終體現在產品之中。例如海豚具有流線型形態，在水中游動時的阻力相對較少，因而遊速較快，基於這一點，現在汽車外形大多數對海豚形態仿生，模仿設計出流線型的車身，這在很大程度上較少了汽車執行過程中的空氣阻力，提高了汽車的運動效能。
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境相抗衡的生存功能，正是這些功能保證它們能夠經受得住“優勝劣汰、適者生存”的自然法則。功能仿生就是透過研究生物體某些特殊功能並弄清其運作原理，進而將這些功能應用到產品設計之中，使得產品具有生物體同等功能，同時這也是人類不斷創新進步的重要源泉。功能仿生在產品設計中的應用十分廣泛，例如蝙蝠具有發射超聲波的功能，所以能夠夜間飛行，設計者對這一功能進行仿生最終制造出雷達，並廣泛運用於軍事領域。
1.3結構仿生
在很久以前，人類已經開始認識到不同生物體結構各自所表現出迥異的功能特性，例如魚的尾巴能夠自由地控制方向；細長的柳條能夠承受巨大的力矩；柔弱的蛛網可以經受住大風等。結構仿生主要以生物體的結構特點作為研究物件，並且對結構原理進行深層次地剖析，進而在產品設計中植入相應的構造已達到同等的功能效果。例如蜂窩結構是無數個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、部件連線和工作裝置對機械效能都至關重要，因此結構仿生學應當從這幾方面入手對工程機械進行仿生設計。
2.1外形尺寸的結構仿生應用
在生物界中，外形結構尺寸對於生物體的功能特性起著十分關鍵的重要，例如螞蟻能夠運載比它身體質量重數倍的物體，這在很大程度上歸功於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支撐受力，這些獨特的外形及合適的尺寸為其贏得了“大力士”的美譽。透過對螞蟻身體的結構尺寸比例、重心位置及運動方式的研究，設計人員對裝載機、挖掘機、自卸車等工程機械的外形尺寸進行了結構仿生，重新定義了橋荷比值，而且也可以透過設計根據工況自動調整的重力平衡裝置，從而保證了機械能夠在滿載情況下仍具有高穩定性和高效率作業能力。
2.2連線部件的結構仿生應用
在生物界生物一直都很擅長利用有限的空間和結構以利於自身的運動，增強對環境的適應能力。生物結構的受力情況十分均勻，很少出現應力過大的區域，所以形成的結構也多是最佳化的力學結構。基於這一點，工程機械中一些連線部件的設計都進行了結構仿生，具體而言分為以下三種方式：（1）模仿竹節結構、樹木的板根結構、王蓮的網狀助板結構，對直接受力的支撐構件、主要受力結構進行結構加強；（2）較多的採用光滑的'曲線作為結構的形線，能有效的減少由於形狀或結構的突變引起的應力集中現象。（3）改進結構形式和潤滑條件，減少連線結構的能量損失，提高聯接結構的可靠性，延長部件的使用壽命。
2.3工作裝置的結構仿生應用
人類手的結構十分精巧，對人類的生存來說十分重要。人類的手部結構緊湊，抓握動作靈活穩定，功能強大。人們對了人類部結構的研究巳有較長的歷史。而真意義上能實現靈活動作的仿生則是僅有幾十年的時間。由於“靈巧”的研究具有很強的應用價值，各國對其都格外重視，也是少數幾個一直沒有聞斷的仿生學研究課題，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大學合作研發的HIT/DLR機器人靈巧手，結構和功能與人體手幾乎一樣，可以自由活動並能夠輕鬆提取重物[2]。
總而言之，隨著人類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廣泛應用工程機械設計之中，這將極大地提高機械效能，進而更好地為整個社會服務。
參考文獻
[1] 葉青會；陶健等 仿生學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的應用探究[J] 科學與財富，2015（04）