淺論工程機械結構設計應用中仿生學的基本原則論文

摘要：工程機械結構設計需要有大量的實驗數據與工程力學計算支持, 因此儘管人們利用工程機械製造創造出了許許多都的工程奇蹟, 然而對於機械結構的創新卻鮮有進展。本文將通過對結構仿生學的簡要介紹, 來進一步就闡述了結構仿生學與工程機械結構設計間的相關性, 也爲工程機械學創新設計提供以了一種新思路。

關鍵詞：結構仿生學; 工程機械; 結構設計; 有限元分析;

1引言

仿生學是應用自然界當中的生物材料、結構、形態以及功能原理來爲工程機械設計提供指導與實際應用的一種交叉學科, 其幾乎能夠與任何一門學科相結合, 有着廣泛的適用性。將生物結構所具備的優秀力學特性應用於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。應用仿生學來就工程機械的現有結構部件性能實施優化改進, 並就此開展相關的研究工作具有一定的現實意義。

2概述

結構仿生學是針對自然界當中生物結構來展開相關的研究工作, 對於各種生物體的結構特性進行觀察、分析, 而後應用目前人類所已經掌握的技術手段與各種材料來開展仿生學設計改進, 並由此來促進工程機械結構的穩定性及其效率能夠得以大幅度的增強。這同時也是一項十分典型性的跨學科研究領域, 其中所牽涉到的學科範圍十分寬廣, 其中所具體研究的內容就含括了自然界當中的各種動植物。目前可直接實現對仿生學的應用主要包括了機器製造、材料學、建築學等專業領域。進一步加強對結構仿生學的理論研究與技術探索, 對於促進結構仿生學的發展與應用有着巨大的現實意義。

3工程機械結構設計應用結構仿生學的基本原則

依據生物機構本身的力學特徵, 在開展工程機械設計之時可總結出以下幾項基礎性的結構設計原則:

(1) 科學應用好多孔結構形式來實現對重量的減輕。適當調節結構形式, 將應力安全區域內材料及時去除, 在確保對機械結構不產生嚴重影響的情況下儘可能確保結構能夠輕量化。

(2) 科學應用多種完全不同的材料來促進結構整體力學性能的全面提升。如科學應用好多種材料本身所具備的多層結構, 並以此來促成綜合性的力學性能可得以顯着提升。

(3) 受力結構方式簡易, 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) 把仿生學科學運用到工程機械的設計與製造方面, 同樣要進行長時間的研究, 其中難免會遭遇到許多的挫折與挑戰。工程機械日常的工作環境和自然界中某些生物所面臨的環境十分接近生物結構範例對於工程機械結構設計本身具有一定的指導價值。生物結構與工程機械本身存在着一定的天然結合條件, 把仿生學運用到工程機械設計與製造過程中可發揮出良好的工程現實價值。

(5) 結構質量佈設適宜, 預防質量多度集中。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衝擊影響時結構穩定性及剛度仍能夠超過一般性的平板材料。

4工程機械結構部件仿生學設計

4.1 挖掘機鬥杆仿生結構設計

在開展挖掘機鬥杆仿生結構設計時, 不論是採用何種工作裝置, 鬥杆和大臂均會得到保留, 主要要改造的是末端設備。因此, 也便要求鬥杆能夠具備優異的力學性能, 在進行挖掘機鬥杆設計時應先對各項參數進行計算基礎, 在此階段需線設計鬥杆容量, 通常在1.2m3左右, 挖掘機重量約爲25噸, 運行功率爲120k W, 採用如下公式進行計算處理:

在上述公式中Li表示鬥杆尺寸大小;

i爲結構部件;

G爲挖掘機重量。

在經過計算處理後便可大致確定出鬥杆尺寸確定爲0.8較爲適宜, 而後便可進行鬥杆設計圖紙的繪製。

4.2 仿生底架結構的靜力學有限元分析

爲了檢驗仿生結構本身的力學特性, 還需針對仿生結構實施有限元分析, 加載和傳統結構所較爲接近的載荷與約束性條件。仿生結構相較於常規的底架結構其應力分佈更加均衡, 對於材料也有着更高的利用率。最大應力值可達到40.045MPa, 最大應力區域相對較小。整體結構的應力分佈相較於常規底架結構更加均勻, 承載方式也更加合理。應力最大位置處於底板和履帶架接合位置的圓孔邊緣, 並且最大應力區域相對偏小, 並不會導致整體結構的剛度及強度受到嚴重影響。這一部分的.結構也相對較爲簡潔, 利用對結構的優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現改進處理。

4.3 底架模態分析

鑑於工程機械的工作環境往往十分惡劣, 不僅地形環境十分複雜, 而且還時常要遭受衝擊影響。利用模態分析便可準確找出結構的固有振動類型及頻率, 從而也便能夠反映出結構本身的振動特點。模態分析只針對底架結構施加限制。由頻率分佈來分析, 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, 實現了結構優化。

5結語

總而言之, 在本次研究中就針對結構仿生學在應用到工程機械結構設計時的基本原則進行了簡要分析, 而後就以挖掘機鬥杆爲例對工程機械結構部件仿生學設計展開了深入的研究工作, 經過對傳統底架結構的有限元計算結果分析, 對底架仿生結構實施了工程轉化, 同時開展了有限元靜力學分析, 有效的提升挖掘機鬥杆的強度與剛度。最終希望藉助於本文的研究工作能夠爲今後相關的工程轉化提供一些新思路、新方法。

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