工程機械結構設計中結構仿生學的應用探究論文
摘要：“仿生”是人們從自然界及生物體結構吸取靈感和經驗的一種重要方法。隨著科技的發展和人類的進步，現代的科學研究為解釋了奇異的現象提供了依據。自然界中的生物體本身的不同結構也在被人類發現並且用於不同的發明創造中。本文透過研究工程機械設計中的仿生學，本文透過對工程機械的結構仿生學設計方法進行探索和研究，對工程機械的鬥杆結構和底架結構進行了仿生學設計，並對其進行了有限元的靜力學分析。
關鍵詞：工程機械；結構仿生；設計
仿生學利用自然中的生物，主要是生物的結構、材料以及形態這些方面，人類從分析生物體的這些結構得到靈感，把靈感用於工程機械相關產品的設計構思上來，而根據這些生物的結構及仿生學的相關知識，把結構仿生學應用於工程機械中，創造出更多有價值、有意義的產品，推動工程機械行業的發展。
1仿生學簡介
1.1仿生學定義
仿生是人類利用自然和改造自然的一種思想，也是最早的學習方式。仿生學是利用自然界中生物的材料、結構、形態和功能原理，來指導和應用於工程實踐中的交叉學科，幾乎所有的學科都與仿生學相結合。
1.2結構仿生學簡介
結構仿生為力學仿生，主要是研究生物體本身和大自然的大致結構和精細的結構以及它們結構的力學效能，根據這些效能設計出具有優良力學效能的建築、工業產品等。馬克思曾經讚歎過蜜蜂建造的蜂巢，是一種六邊形的網狀結構，它的優點是結構穩定、孔隙率低、容量大等優點，設計師受到蜂巢的啟發，把懸索橋的主纜截面也設計成六邊形的網格狀，增強了橋樑的穩固性。
1.3結構仿生學的應用
目前，結構仿生學已經應用在建築、工業設計等方面得到了應用。建築仿生主要是以自然界生物體的外部形態和組織結構為依據，探索其中的建造規律，將研究的成果運用到建築設計中來。工業設計中運用的仿生，主要是從產品的形態設計、色彩設計、結構設計、質感和肌理設計等方面進行的，結構仿生在工業設計中的應用主要是透過對各種生物體的內部結構原理分析和研究，去除無關的因素、加以簡化，構建一個生物模型，研究其結構用於工業設計。另外，還有服飾設計，也用到了仿生學。服仿生設計是採用象徵的具體手法和隱喻的抽象手法來實現的。如原始社會的非洲人頭上插著翎毛。現代的服飾仿生設計包括造型仿生設計、色彩仿生設計、面料仿生。
2工程機械行業發展概述
2.1工程機械行業的誕生與發展
隨著社會的發展和人類科技的進步，人類利用自然和改造自然的能力也在不斷增強。從第一次人類的工業革命開始，就把人類帶入了機器和蒸汽時代，人類改造自然的能力在蒸汽的自動化推動下，進一步提高，生產方式上由機器代替手工。第二次工業革命出現電力、煤炭等新能源，內燃機的出現帶來了輪船、飛機、汽車等新的高效的交通工具，開闊了人類的視野，機械工程行業也是在這個時候日益發展壯大的，變成了人類利用和改造自然的重要工具。第三次工業革命是科技資訊的快速發展，推動了社會變革和進步，技術的推動催生了工程機械行業的快速穩定發展。
2.2現有工程機械產品
中國在目前的國際市場上，是世界上工程機械生產大國，產量居全球第三位。在生產的機械產品中，裝載機和挖掘機等這些土石方方面的工程機械，是世界上銷量最大、市場最大的，尤其是土方裝載機。挖掘機主要用在土建施工、公共設施建設等領域，而小型挖掘機也佔據著不小的市場份額。由於國產技術的落後，中高階產品還是主要依賴進口，挖掘機也主要由國外的品牌主導。
2.3我國工程機械行業的發展
我國機械行業的起步並不晚，但由於其他的各種複雜的原因導致發展緩慢，1978年之後，我國的工程機械行業隨著“工程機械管理專業局”的成立而形成。在經過了二十幾年的發展，我國已經擁有了一大批具有基礎實力的生產工程機械產品的公司，而現代化的發展以及基礎設施建設專案的增大加速了機械行業的發展。2010-2011年，我國的機械工程行業迎來極大的一次發展，三一重工的入圍工程機械行業的世界500強，進一步發展壯大了我國的工程機械行業的快速發展。
2.4我國的工程機械行業存在的問題
工程機械行業的技術發展代表國家的重型裝備的'製造水平，我國的機械行業雖然起步較晚，但發展快，生產的工程機械產品一方面要滿足國內需求，另一方面還要擴大海外市場，有些公司已經完成了產品的設計和製造。但我國的機械產品層次較低，質量、可靠性等指標與國際相差甚遠，有些核心部件和關鍵零部件，由於技術、材料等方面的差異，難以有較大的突破，對國外產品依舊依賴，制約了我國機械行業的發展。
3結構仿生學的現狀
3.1國外研究現狀
德國弗朗豪夫研究所利用仿生學原理對機床系統分析和改進，研究了效能的提升方法。美國的賓夕法尼亞大學利用測力儀做了相關的測量，分析了目前骨關節的結構力學國內外研究現狀。還有美國的研究者Menon和Stitti主要對壁虎的攀爬研究，利用仿生學原理製造出仿生機器人。曼徹斯特大學的LinChen，LeiRen探索了生物體的肌肉對肌肉骨骼的作用，為仿生機器人的研究提供依據。
3.2國內的研究現狀
我國對結構仿生學開展研究的科研機構有吉林大學、南京航空航天大學以及北京理工大學等。其中研究的內容主要在對生物的表面脫附的研究、結構仿生最佳化的研究等方面。張靜霞對人體的關節、手指、手臂等的相關研究，歸納了仿生的運動副的基本分類及結構形式，從而給仿生機器人的相關的結構設計奠定了基礎，提供了依據。陳五一等根據仿生學的原理，對機床仿生最佳化，得出模仿人類骨骼結構的仿生結構，最佳化效果明顯。吉林大學對工程仿生學的研究，主要是在仿生表面脫附上，研究的成果已經用於工程中。岑海棠等在分析仿生學演變的基礎上，強調了多學科協作，以及仿生理論的重要性。楊繪宇等根據蝗蟲的身體構造，建立模型，研究了影響蝗蟲跳躍的關鍵因素，為機器人的進一步研究提供理論基礎。錢歡歡，吳小涵等透過對建築個例的分析，提出建議，並對仿生學在建築中的應用進行展望。
4課題研究意義
4.1結構仿生學理論研究和典型生物結構的力學特性分析
結構仿生學是學習和模仿自然界生物的優秀結構的一種設計手段，具有創新性。是一種單元性的仿生學，它與其他的學科具有相對有限的聯絡，其實目前並沒有形成一套完整有效的結構仿生學的研究機制，而且研究的內容以及研究方法都有很大的隨機性，內容和方法可以彼此借鑑，而且有限。本文主要從結構仿生學的學科聯絡和與工程機械結合的關係、結構仿生學的理論基礎等方面進行論述，加強了對結構仿生學的認識，加深了對仿生學的研究成果的認識及瞭解，對於我們生物力學及結構設計等這些學科內容的認識也有很大的幫助。
4.2對工程結構設計的創新性研究
我國的機械工程產品多是參考國外已有的產品，是“中國製造”而不是“中國創造”，結構設計的模式相對已經固定，積累的資料不足，透過分析機械工程和生物結構的關係，以力學為基礎，有利於啟發結構創新的靈感，改善難以突破的設計瓶頸。對生物的器官組織分析探索，可以改變傳統的設計思維，增加的各種各樣的機械產品結構設計的相通性。
4.3工程機械仿生結構進行力學分析
對於那些根據仿生學設計出的結構，必須要進行強度和剛度的校核和工程結構的相互轉化，可以多次反覆的進一步最佳化，這樣才能進行下一步的試驗以及推廣應用。例如設計出來的仿生鬥杆的結構、仿生底架結構的部分零件，我們必須要進行相關的有限元的靜力學分析，之後還要把傳統結構以及仿生結構的力學方面具有的特性進行對比，只有透過這些步驟才能確定仿生結構所能達到的最佳化程度，才能確定可以進一步試驗和推廣應用。
5結束語
人的創造慾望推動了創新的發展，創新的靈感來自社會和自然，我們的創新產品是為自然和社會服務的。研究仿生學在工業機械設計中的應用，是為了創造更多的高效的產品為社會和人類及自然服務，促進國家的機械產品的發展，使我國的機械產品走向世界。
參考文獻
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