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淺論工程機械結構設計應用中仿生學(xué)的基本原則論文
摘要：工程機械結構設計需要有大量的實(shí)驗數據與工程力學(xué)計算支持, 因此盡管人們利用工程機械制造創(chuàng )造出了許許多都的工程奇跡, 然而對于機械結構的創(chuàng )新卻鮮有進(jìn)展。本文將通過(guò)對結構仿生學(xué)的簡(jiǎn)要介紹, 來(lái)進(jìn)一步就闡述了結構仿生學(xué)與工程機械結構設計間的相關(guān)性, 也為工程機械學(xué)創(chuàng )新設計提供以了一種新思路。
關(guān)鍵詞：結構仿生學(xué); 工程機械; 結構設計; 有限元分析;
1引言
仿生學(xué)是應用自然界當中的生物材料、結構、形態(tài)以及功能原理來(lái)為工程機械設計提供指導與實(shí)際應用的一種交叉學(xué)科, 其幾乎能夠與任何一門(mén)學(xué)科相結合, 有著(zhù)廣泛的適用性。將生物結構所具備的優(yōu)秀力學(xué)特性應用于工程機械結構設計當中, 能夠給予工程機械的結構設計提供以重要的新思路與新方法。應用仿生學(xué)來(lái)就工程機械的現有結構部件性能實(shí)施優(yōu)化改進(jìn), 并就此開(kāi)展相關(guān)的研究工作具有一定的現實(shí)意義。
2概述
結構仿生學(xué)是針對自然界當中生物結構來(lái)展開(kāi)相關(guān)的研究工作, 對于各種生物體的結構特性進(jìn)行觀(guān)察、分析, 而后應用目前人類(lèi)所已經(jīng)掌握的技術(shù)手段與各種材料來(lái)開(kāi)展仿生學(xué)設計改進(jìn), 并由此來(lái)促進(jìn)工程機械結構的穩定性及其效率能夠得以大幅度的增強。這同時(shí)也是一項十分典型性的跨學(xué)科研究領(lǐng)域, 其中所牽涉到的學(xué)科范圍十分寬廣, 其中所具體研究的內容就含括了自然界當中的各種動(dòng)植物。目前可直接實(shí)現對仿生學(xué)的應用主要包括了機器制造、材料學(xué)、建筑學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。進(jìn)一步加強對結構仿生學(xué)的理論研究與技術(shù)探索, 對于促進(jìn)結構仿生學(xué)的發(fā)展與應用有著(zhù)巨大的現實(shí)意義。
3工程機械結構設計應用結構仿生學(xué)的基本原則
依據生物機構本身的力學(xué)特征, 在開(kāi)展工程機械設計之時(shí)可總結出以下幾項基礎性的結構設計原則:
(1) 科學(xué)應用好多孔結構形式來(lái)實(shí)現對重量的減輕。適當調節結構形式, 將應力安全區域內材料及時(shí)去除, 在確保對機械結構不產(chǎn)生嚴重影響的情況下盡可能確保結構能夠輕量化。
(2) 科學(xué)應用多種完全不同的材料來(lái)促進(jìn)結構整體力學(xué)性能的全面提升。如科學(xué)應用好多種材料本身所具備的多層結構, 并以此來(lái)促成綜合性的力學(xué)性能可得以顯著(zhù)提升。
(3) 受力結構方式簡(jiǎn)易, 結構件數量應保持適當合理性, 結構形狀變化應確保適度緩和。
(4) 把仿生學(xué)科學(xué)運用到工程機械的設計與制造方面, 同樣要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的研究, 其中難免會(huì )遭遇到許多的挫折與挑戰。工程機械日常的工作環(huán)境和自然界中某些生物所面臨的環(huán)境十分接近生物結構范例對于工程機械結構設計本身具有一定的指導價(jià)值。生物結構與工程機械本身存在著(zhù)一定的天然結合條件, 把仿生學(xué)運用到工程機械設計與制造過(guò)程中可發(fā)揮出良好的工程現實(shí)價(jià)值。
(5) 結構質(zhì)量布設適宜, 預防質(zhì)量多度集中。如針對承受彎矩載荷的結構應適當擴大結構截面的慣性矩以促進(jìn)其抗彎性能能夠得以有效加強。
(6) 將結構曲率的支撐效果予以充分運用。如殼體外凸板材在遭受壓力與沖擊影響時(shí)結構穩定性及剛度仍能夠超過(guò)一般性的平板材料。
4工程機械結構部件仿生學(xué)設計
4.1 挖掘機斗桿仿生結構設計
在開(kāi)展挖掘機斗桿仿生結構設計時(shí), 不論是采用何種工作裝置, 斗桿和大臂均會(huì )得到保留, 主要要改造的是末端設備。因此, 也便要求斗桿能夠具備優(yōu)異的力學(xué)性能, 在進(jìn)行挖掘機斗桿設計時(shí)應先對各項參數進(jìn)行計算基礎, 在此階段需線(xiàn)設計斗桿容量, 通常在1.2m3左右, 挖掘機重量約為25噸, 運行功率為120k W, 采用如下公式進(jìn)行計算處理:
在上述公式中Li表示斗桿尺寸大小;
i為結構部件;
G為挖掘機重量。
在經(jīng)過(guò)計算處理后便可大致確定出斗桿尺寸確定為0.8較為適宜, 而后便可進(jìn)行斗桿設計圖紙的繪制。
4.2 仿生底架結構的靜力學(xué)有限元分析
為了檢驗仿生結構本身的力學(xué)特性, 還需針對仿生結構實(shí)施有限元分析, 加載和傳統結構所較為接近的載荷與約束性條件。仿生結構相較于常規的底架結構其應力分布更加均衡, 對于材料也有著(zhù)更高的利用率。最大應力值可達到40.045MPa, 最大應力區域相對較小。整體結構的應力分布相較于常規底架結構更加均勻, 承載方式也更加合理。應力最大位置處于底板和履帶架接合位置的圓孔邊緣, 并且最大應力區域相對偏小, 并不會(huì )導致整體結構的剛度及強度受到嚴重影響。這一部分的結構也相對較為簡(jiǎn)潔, 利用對結構的優(yōu)化處理與控制可有效降低應力集中現象, 促使結構能夠更加方便的實(shí)現改進(jìn)處理。
4.3 底架模態(tài)分析
鑒于工程機械的工作環(huán)境往往十分惡劣, 不僅地形環(huán)境十分復雜, 而且還時(shí)常要遭受沖擊影響。利用模態(tài)分析便可準確找出結構的固有振動(dòng)類(lèi)型及頻率, 從而也便能夠反映出結構本身的振動(dòng)特點(diǎn)。模態(tài)分析只針對底架結構施加限制。由頻率分布來(lái)分析, 傳統結構頻率更低, 仿生結構較高, 此即表明仿生結構在抗震性能方面效果更加, 具有更好的穩定性, 實(shí)現了結構優(yōu)化。
5結語(yǔ)
總而言之, 在本次研究中就針對結構仿生學(xué)在應用到工程機械結構設計時(shí)的基本原則進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析, 而后就以挖掘機斗桿為例對工程機械結構部件仿生學(xué)設計展開(kāi)了深入的研究工作, 經(jīng)過(guò)對傳統底架結構的有限元計算結果分析, 對底架仿生結構實(shí)施了工程轉化, 同時(shí)開(kāi)展了有限元靜力學(xué)分析, 有效的提升挖掘機斗桿的強度與剛度。最終希望借助于本文的研究工作能夠為今后相關(guān)的工程轉化提供一些新思路、新方法。
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