工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用探究

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用探究內(nèi)容摘要：“仿生〞是人們從天然界及生物體構(gòu)造汲取靈感和經(jīng)歷體驗(yàn)的一種主要方法。隨著科技的發(fā)展和人類的進(jìn)步，現(xiàn)代的科學(xué)研究為解釋了奇異的現(xiàn)象提供了根據(jù)。天然界中的生物體自己的不同構(gòu)造也在被人類發(fā)現(xiàn)而且用于不同的發(fā)明創(chuàng)造中。本文通過研究工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)，本文通過對工程機(jī)械的構(gòu)造仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探尋求索和研究，對工程機(jī)械的斗桿構(gòu)造和底架構(gòu)造進(jìn)行了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行了有限元的靜力學(xué)分析。本文關(guān)鍵詞語：工程機(jī)械；構(gòu)造仿生；設(shè)計(jì)仿生學(xué)利用天然中的生物，重要是生物的構(gòu)造、材料以及形態(tài)這些方面，人類從分析生物體的這些構(gòu)造得到靈感，把靈感用于工程機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)思上來，而根據(jù)這些生物的構(gòu)造及仿生學(xué)的相關(guān)知識，把構(gòu)造仿生學(xué)應(yīng)用于工程機(jī)械中，創(chuàng)造出更多有價(jià)值、有意義的產(chǎn)品，推動工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。1仿生學(xué)簡介1.1仿生學(xué)定義仿生是人類利用天然和改造天然的一種思想，也是最早的學(xué)習(xí)方式。仿生學(xué)是利用天然界中生物的材料、構(gòu)造、形態(tài)和功能原理，來指點(diǎn)和應(yīng)用于工程理論中的穿插學(xué)科，幾乎所有的學(xué)科都與仿生學(xué)相結(jié)合。1.2構(gòu)造仿生學(xué)簡介構(gòu)造仿生為力學(xué)仿生，重要是研究生物體自己和大天然的大致構(gòu)造和精細(xì)的構(gòu)造以及它們構(gòu)造的力學(xué)性能，根據(jù)這些性能設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良力學(xué)性能的建筑、工業(yè)產(chǎn)品等。曾經(jīng)贊賞過蜜蜂建造的蜂巢，是一種六邊形的網(wǎng)狀構(gòu)造，它的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造穩(wěn)定、孔隙率低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)師遭到蜂巢的啟發(fā)，把懸索橋的主纜截面也設(shè)計(jì)成六邊形的網(wǎng)格狀，加強(qiáng)了橋梁的穩(wěn)固性。1.3構(gòu)造仿生學(xué)的應(yīng)用當(dāng)前，構(gòu)造仿生學(xué)已經(jīng)應(yīng)用在建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面得到了應(yīng)用。建筑仿生重要是以天然界生物體的外部形態(tài)和組織構(gòu)造為根據(jù)，探尋求索其中的建造規(guī)律，將研究的結(jié)果運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中來。工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的仿生，重要是從產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)、質(zhì)感和肌理設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行的，構(gòu)造仿生在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用重要是通過對各種生物體的內(nèi)部構(gòu)造原理分析和研究，去除無關(guān)的因素、加以簡化，構(gòu)建一個(gè)生物模型，研究其構(gòu)造用于工業(yè)設(shè)計(jì)。另外，還有服飾設(shè)計(jì)，也用到了仿生學(xué)。服仿生設(shè)計(jì)是采取象征的詳細(xì)手法和隱喻的抽象手法來實(shí)現(xiàn)的。如原始社會的非洲人頭上插著翎毛?，F(xiàn)代的服飾仿生設(shè)計(jì)包含造型仿生設(shè)計(jì)、色彩仿生設(shè)計(jì)、面料仿生。2工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展概述2.1工程機(jī)械行業(yè)的誕生與發(fā)展隨著社會的發(fā)展和人類科技的進(jìn)步，人類利用天然和改造天然的能力也在不斷加強(qiáng)。從第一次人類的工業(yè)革命開始，就把人類帶入了機(jī)器和蒸汽時(shí)代，人類改造天然的能力在蒸汽的自動化推動下，進(jìn)一步提升，生產(chǎn)方式上由機(jī)器代替手工。第二次工業(yè)革命出現(xiàn)電力、煤炭等新能源，的出現(xiàn)帶來了輪船、飛機(jī)、汽車等新的高效的交通工具，開闊了人類的視野，機(jī)械工程行業(yè)也是在這個(gè)時(shí)候日益發(fā)展強(qiáng)大的，變成了人類利用和改造天然的主要工具。第三次工業(yè)革命是科技信息的快速發(fā)展，推動了社會變更和進(jìn)步，技術(shù)的推動催生了工程機(jī)械行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。2.2現(xiàn)有工程機(jī)械產(chǎn)品中國在當(dāng)前的國際市場上，是上工程機(jī)械生產(chǎn)大國，產(chǎn)量居全球第三位。在生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品中，裝載機(jī)和發(fā)掘機(jī)等這些土石方方面的工程機(jī)械，是世界上銷量最大、市場最大的，尤其是土方裝載機(jī)。發(fā)掘機(jī)重要用在土建施工、公共設(shè)備建設(shè)等領(lǐng)域，而小型發(fā)掘機(jī)也占領(lǐng)著不小的市場份額。由于國產(chǎn)技術(shù)的落后，中高端產(chǎn)品還是重要依靠進(jìn)口，發(fā)掘機(jī)也重要由國外的品牌主導(dǎo)。2.3我們國家工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展我們國家機(jī)械行業(yè)的起步并不晚，但由于其他的各種復(fù)雜的原因?qū)е掳l(fā)展緩慢，1978年之后，我們國家的工程機(jī)械行業(yè)隨著“工程機(jī)械管理專業(yè)局〞的成立而構(gòu)成。在經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展，我們國家已經(jīng)擁有了一大批具有基礎(chǔ)實(shí)力的生產(chǎn)工程機(jī)械產(chǎn)品的公司，而現(xiàn)代化的發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)項(xiàng)目的增大加速了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。2010-2011年，我們國家的機(jī)械工程行業(yè)迎來極大的一次發(fā)展，三一重工的入圍工程機(jī)械行業(yè)的世界500強(qiáng)，進(jìn)一步發(fā)展強(qiáng)大了我們國家的工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。2.4我們國家的工程機(jī)械行業(yè)存在的問題工程機(jī)械行業(yè)的技術(shù)發(fā)展代表國家的重型設(shè)備的制作水平，我們國家的機(jī)械行業(yè)固然起步較晚，但發(fā)展快，生產(chǎn)的工程機(jī)械產(chǎn)品一方面要知足國內(nèi)需求，另一方面還要擴(kuò)大海外市場，有些公司已經(jīng)完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作。但我們國家的機(jī)械產(chǎn)品條理較低，質(zhì)量、可靠性等指標(biāo)與國際相差甚遠(yuǎn)，有些核心部件和關(guān)鍵零部件，由于技術(shù)、材料等方面的差別，難以有較大的突破，對國外產(chǎn)品還是那樣依靠，制約了我們國家機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。3構(gòu)造仿生學(xué)的現(xiàn)在狀況3.1國外研究現(xiàn)在狀況德國弗朗豪夫研究所利用仿生學(xué)原理對機(jī)床系統(tǒng)分析和改良，研究了效能的提升方法。美國的賓夕法尼亞大學(xué)利用測力儀做了相關(guān)的測量，分析了當(dāng)前骨關(guān)節(jié)的構(gòu)造力學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況。還有美國的研究者M(jìn)enon和Stitti重要對壁虎的攀爬研究，利用仿生學(xué)原理制作出仿生機(jī)器人。曼徹斯特大學(xué)的LinChen，LeiRen探尋求索了生物體的肌肉對肌肉骨骼的作用，為仿生機(jī)器人的研究提供根據(jù)。3.2國內(nèi)的研究現(xiàn)在狀況我們國家對構(gòu)造仿生學(xué)開展研究的科研機(jī)構(gòu)有吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)以及北京理工大學(xué)等。其中研究的內(nèi)容重要在對生物的外表脫附的研究、構(gòu)造仿生優(yōu)化的研究等方面。張靜霞對人體的關(guān)節(jié)、手指、手臂等的相關(guān)研究，歸納了仿生的運(yùn)動副的基本分類及構(gòu)造形式，進(jìn)而給仿生機(jī)器人的相關(guān)的構(gòu)造設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，提供了根據(jù)。陳五一等根據(jù)仿生學(xué)的原理，對機(jī)床仿生優(yōu)化，得出模擬人類骨骼構(gòu)造的仿生構(gòu)造，優(yōu)化效果明顯。吉林大學(xué)對工程仿生學(xué)的研究，重要是在仿生外表脫附上，研究的結(jié)果已經(jīng)用于工程中。岑海棠等在分析仿生學(xué)演變的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科協(xié)作，以及仿生理論的主要性。楊繪宇等根據(jù)蝗蟲的身體構(gòu)造，建立模型，研究了影響蝗蟲跳躍的關(guān)鍵因素，為機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。錢歡歡，吳小涵等通過對建筑個(gè)例的分析，提出建議，并對仿生學(xué)在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行瞻望。4課題研究意義4.1構(gòu)造仿生學(xué)理論研究和典型生物構(gòu)造的力學(xué)特性分析構(gòu)造仿生學(xué)是學(xué)習(xí)和模擬天然界生物的優(yōu)秀構(gòu)造的一種設(shè)計(jì)手段，具有創(chuàng)新性。是一種單元性的仿生學(xué)，它與其他的學(xué)科具有相對有限的聯(lián)絡(luò)，其實(shí)當(dāng)前并沒有構(gòu)成一套完好有效的構(gòu)造仿生學(xué)的研究機(jī)制，而且研究的內(nèi)容以及研究方法都有很大的隨機(jī)性，內(nèi)容和方法能夠相互借鑒，而且有限。本文重要從構(gòu)造仿生學(xué)的學(xué)科聯(lián)絡(luò)和與工程機(jī)械結(jié)合的關(guān)系、構(gòu)造仿生學(xué)的理論基礎(chǔ)等方面進(jìn)行闡述，加強(qiáng)了對構(gòu)造仿生學(xué)的認(rèn)識，加深了對仿生學(xué)的研究結(jié)果的認(rèn)識及了解，對于我們生物力學(xué)及構(gòu)造設(shè)計(jì)等這些學(xué)科內(nèi)容的認(rèn)識也有很大的幫助。4.2對工程構(gòu)造設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性研究我們國家的機(jī)械工程產(chǎn)品多是參考國外已有的產(chǎn)品，是“中國制作〞而不是“中國創(chuàng)造〞，構(gòu)造設(shè)計(jì)的形式相對已經(jīng)固定，積累的數(shù)據(jù)不足，通過分析機(jī)械工程和生物構(gòu)造的關(guān)系，以力學(xué)為基礎(chǔ)，有利于啟發(fā)構(gòu)造創(chuàng)新的靈感，改善難以突破的設(shè)計(jì)瓶頸。對生物的器官組織分析探尋求索，能夠改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維，增長的各種各樣的機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)造設(shè)計(jì)的相通性。4.3工程機(jī)械仿生構(gòu)造進(jìn)行力學(xué)分析對于那些根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)出的構(gòu)造，必需要進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核和工程構(gòu)造的互相轉(zhuǎn)化，能夠?qū)掖畏磸?fù)的進(jìn)一步優(yōu)化，這樣能力進(jìn)行下一步的試驗(yàn)以及推廣應(yīng)用。例如設(shè)計(jì)出來的仿生斗桿的構(gòu)造、仿生底架構(gòu)造的部分零件，我們必需要進(jìn)行相關(guān)的有限元的靜力學(xué)分析，之后還要把傳統(tǒng)構(gòu)造以及仿生構(gòu)造的力學(xué)方面具有的特性進(jìn)行比照，只要通過這些步驟能力確定仿生構(gòu)造所能到達(dá)的優(yōu)化水平，能力確定能夠進(jìn)一步試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。5結(jié)束語人的創(chuàng)造欲望推動了創(chuàng)新的發(fā)展，創(chuàng)新的靈感來自社會和天然，我們的創(chuàng)新產(chǎn)品是為天然和社會效勞的。研究仿生學(xué)在工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，是為了創(chuàng)造更多的高效的產(chǎn)品為社會和人類及天然效勞，促進(jìn)國家的機(jī)