在工程机械结构设计中结构仿生学的应用研究

窦志远 曾瑞倩

摘 要：人的生活离不开自然界，现代所应用的很多工程机械设备都是模仿自然界生物设计出来的，这也是人们常说的仿生。在工程机械结构设计中结构仿生学的应用十分广泛，也正是由于结构仿生学的存在促进了工程机械的发展。因此，本文将从结构仿生学基本情况入手，重点研究结构仿生学在工程机械结构设计中的应用。

关键词：工程机械;结构设计;结构仿生学

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.086

0 前言

所谓的仿生学实际上就是以自然生物为参照对象，通过观察其结构特征，将有价值的内容应用到现代机械设计中，仿生学的应用相当广泛，几乎可以与所有学科相关联。在仿生学的影响下，促进了现代工业发展，因此，有必要对工程机械结构设计中结构仿生学的应用展开研究。

1 结构仿生学概述

结构仿生学主要是将生物自然结构作为参展对象，然后对其结构特点进行全方面分析，以便改进现有材料或结构设计中存在的不足，以便有效提升结构效率，强化可靠性[1]。自然界所有生物都是仿生学的研究对象，而这些仿生学多被应用于建筑设计、机器人制作以及材料设计等[2]。自然生物多种多样，不同的生物有着不同的功能，这也是工程建筑师所追求的方向，将结构仿生学应用到现代工程机械结构设计中，不仅可以最大程度的满足实际需求，还能保证设计合理，强化系统性与整体性。如装载机的设计就是应用了结构仿生学，主要参照对象为蚂蚁。很多工程机械结构的设计都是对自然生物的模仿，都是结构仿生学的体现，因此，应重视结构仿生学在工程机械结构设计中的应用。

2 工程机械结构设计中结构仿生学设计方式

通过对现代工程机械结构设计研究可以发现，多数工程机械结构均以箱型为主，结构材料为低合金高强度钢，之所以采用这种材料，主要在于可以最大程度的节约材料，再加上其质地较轻，所以有效降低了结构部件整体重量[3]。而这种部件多应用在挖掘机中，因此，有必要将挖掘机结构设计仿生学设计作为研究对象。

（1）生物结构特征分析。生物之所以能够在自然界中生存与发展，主要是由于其结构特征与自然界环境相吻合，即不存在“短缺”的情况，也不存在“过度浪费”的现象。在将结构仿生设计应用到工程机械结构设计的过程中，应了解结构仿生设计特点，具体表现在以下几方面：第一，生命结构受力情况以简化为主，其作用在于将受力分在各个阶层中，以便更好的强化结构力学性能。第二，多数生物都会通过加强结构质量等措施确保结构在受力下始终处于稳定状态。只有了解了这些内容，才可以真正做好工程机械结构设计。

（2）挖掘机斗杆仿生结构设计。在挖掘机斗杆仿生结构设计中，无论使用哪种工作装置，大臂与斗杆都会被存留下来，主要改变的是末端设备，由于末端设备的不同，挖掘机的受力情况也会不同，进而对斗杆结构产生影响。所以，这就需要斗杆具有良好的力学性能。如设计挖掘机斗杆的过程中，应先计算好参数，在这一过程中应先设置好斗的实际容量，一般不超过1.2m3，挖掘机的重量则在25吨左右，运行功率则在120kW，这时就需要根据这些要素利用公式计算好参数指标，计算公式为，在该公式中，代表的是斗杆尺寸，而其中的i则表示的是结构部件，G所代表的是挖掘机实际重量[4]。经过计算基本可以确定斗杆尺寸最好控制在0.8左右，只有这样才能保证设计合理，同时，绘制出斗杆计算位置图，并按照该位置图做好进一步的计算（如下图1所示）。

在挖掘机斗杆中空结构设计中，主要参照的是动物的骨骼，通过研究发现，自然生物的骨骼密度多低于铁密度的三倍左右，但其柔性则强于铁的十倍，可见，生物具有良好的可塑性，所以这就需要加大对自然生物中空结构的分析，并将其应用到工程机械结构设计中。如斗杆主要为箱型，板厚为20mm，所以，在实际设计的过程中应控制好筋宽度，最大不超过20mm，同时在侧板出做好筋板加固设置，且将多余材料去除，如下图2所示，这样的设计方式不仅可以有效减轻肋板整体重量，还能促进斗板整体强度提升。

同时，还要加大对肋板结构的关注，该部分的设计可以参照王莲叶脉的分布情况设计。采取这样的设计方式弥补很可以有效增强挖掘机的整体稳定性，还能使挖掘机运行更加良好。而层级结构的设计则可以参照仙人柱的外形，保证设计具有良好的抗弯性，这些都是挖掘机设计中十分重要的一部分。

3 结束语

总的来说，将结构仿生设计应用到现代工程机械结构设计中，已经成为现代趋势，正确应用结构仿生设计可以有效提升工程机械稳定性，强化整体性。

参考文献：

[1]何亚银. 逆向工程在结构仿生设计中的应用研究[J]. 陕西理工学院学报（自然科学版），2012，01：11-14.

[2]赵岭，王婷. 结构仿生设计方法及其在机械领域中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术，2012，04：12-15.

[3]王立新，高雅妍. 农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景[J]. 河北科技大学学报，2014，04：309-317.