结构设计 [结构仿生学在工程机械结构设计上的应用研究]

结构仿生学在工程机械结构设计上的应用研究

关键词：结构仿生学；
工程机械；
结构设计；
应用研究 在自然界中，每一种生物都经历了亿万年的自然进化和优胜劣汰，最 终能够生存下来的物种必定拥有一些非同寻常的能力和特性。仿生学正是通过研 究生物物种的某些结构、形态以及功能特性来模仿设计出相应的机械设备和装置， 进而更好地服务于社会，提升人们生产生活的品质。许多工程机械设备的发明改 进都与仿生学有着千丝万缕的联系，例如最初飞机的发明就是基于结构仿生学的 设计理念，对鸟类身体构造进行仿生，最终制造出能够像鸟类一样飞翔的机械。

仿生学是一门综合性较强的学科，目前已经开始应用于各项工业设计，在工程机 械结构的设计过程中应用“仿生”概念，不仅能够大幅度地提高机械性能，甚至还 有可能探索并开辟出革命性的设计思路。

1仿生学的基本概念和理论 仿生学是一门综合性十分强的古老学科，包含了自然生物学、材料物 理学和数学建模等多种知识的交叉[1]，主要研究对象囊括动物、植物和微生物 在内的整个自然界，可以说，仿生学的应用研究是人类不断认识自然、了解自然、 挖掘自然潜力的过程，总体来说可以分为形态、功能和结构仿生。

1.1形态仿生 在自然界中，每种生物都拥有各自独特的外在形态，而这些形态都是 经过上亿年自然选择的结果，其中必然隐藏着某些物种赖以生存的特性能力。通 过对生物形态的系统研究，工业产品对其形态进行模仿再现，进而还原这些生物 特性并最终体现在产品之中。例如海豚具有流线型形态，在水中游动时的阻力相 对较少，因而游速较快，基于这一点，现在汽车外形大多数对海豚形态仿生，模 仿设计出流线型的车身，这在很大程度上较少了汽车运行过程中的空气阻力，提 高了汽车的运动性能。1.2功能仿生 在自然界生存的每一种物种都具备与恶劣环境相抗衡的生存功能，正 是这些功能保证它们能够经受得住“优胜劣汰、适者生存”的自然法则。功能仿生 就是通过研究生物体某些特殊功能并弄清其运作原理，进而将这些功能应用到产 品设计之中，使得产品具有生物体同等功能，同时这也是人类不断创新进步的重 要源泉。功能仿生在产品设计中的应用十分广泛，例如蝙蝠具有发射超声波的功 能，所以能够夜间飞行，设计者对这一功能进行仿生最终制造出雷达，并广泛运 用于军事领域。

1.3结构仿生 在很久以前，人类已经开始认识到不同生物体结构各自所表现出迥异 的功能特性，例如鱼的尾巴能够自由地控制方向；
细长的柳条能够承受巨大的力 矩；
柔弱的蛛网可以经受住大风等。结构仿生主要以生物体的结构特点作为研究 对象，并且对结构原理进行深层次地剖析，进而在产品设计中植入相应的构造已 达到同等的功能效果。例如蜂窝结构是无数个正六边形镶嵌拼接而成，具有良好 的稳定性，将这一结构应用到汽车轮胎之中能够有效地控制轮胎形变，避免爆胎。

2结构仿生学在工程机械结构设计上的具体应用 工程机械在结构设计要综合考虑各方面的因素，尺寸规格、部件连接 和工作装置对机械性能都至关重要，因此结构仿生学应当从这几方面入手对工程 机械进行仿生设计。

2.1外形尺寸的结构仿生应用 在生物界中，外形结构尺寸对于生物体的功能特性起着十分关键的重 要，例如蚂蚁能够运载比它身体质量重数倍的物体，这在很大程度上归功于蚂蚁 外形的尺寸构造。蚂蚁的头部和胸部结构紧凑且灵活，腹部与胸部间依靠三节腹 柄来支撑受力，这些独特的外形及合适的尺寸为其赢得了“大力士”的美誉。通过 对蚂蚁身体的结构尺寸比例、重心位置及运动方式的研究，设计人员对装载机、 挖掘机、自卸车等工程机械的外形尺寸进行了结构仿生，重新定义了桥荷比值， 而且也可以通过设计根据工况自动调整的重力平衡装置，从而保证了机械能够在 满载情况下仍具有高稳定性和高效率作业能力。2.2连接部件的结构仿生应用 在生物界生物一直都很擅长利用有限的空间和结构以利于自身的运 动，增强对环境的适应能力。生物结构的受力情况十分均匀，很少出现应力过大 的区域，所以形成的结构也多是优化的力学结构。基于这一点，工程机械中一些 连接部件的设计都进行了结构仿生，具体而言分为以下三种方式：（1）模仿竹 节结构、树木的板根结构、王莲的网状助板结构，对直接受力的支撑构件、主要 受力结构进行结构加强；
（2）较多的采用光滑的曲线作为结构的形线，能有效 的减少由于形状或结构的突变引起的应力集中现象。（3）改进结构形式和润滑 条件，减少连接结构的能量损失，提高联接结构的可靠性，延长部件的使用寿命。

2.3工作装置的结构仿生应用 人类手的结构十分精巧，对人类的生存来说十分重要。人类的手部结 构紧凑，抓握动作灵活稳定，功能强大。人们对了人类部结构的研究巳有较长的 历史。而真意义上能实现灵活动作的仿生则是仅有几十年的时间。由于“灵巧” 的研究具有很强的应用价值，各国对其都格外重视，也是少数几个一直没有闻断 的仿生学研究课题，美国、本、欧洲等国都在“灵巧手”方而的研究投入了大量的 科研精力，由德国中航中心与哈尔滨工业大学合作研发的HIT/DLR机器人灵巧手， 结构和功能与人体手几乎一样，可以自由活动并能够轻松提取重物[2]。

总而言之，随着人类对自然界的不断探索和了解，许多生物体结构的 仿生功能将会广泛应用工程机械设计之中，这将极大地提高机械性能，进而更好 地为整个社会服务。

作者：范曙远