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淺論工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中仿生學(xué)的基本原則論文
摘要：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程力學(xué)計(jì)算支持, 因此盡管人們利用工程機(jī)械制造創(chuàng)造出了許許多都的工程奇跡, 然而對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新卻鮮有進(jìn)展。本文將通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的簡(jiǎn)要介紹, 來(lái)進(jìn)一步就闡述了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間的相關(guān)性, 也為工程機(jī)械學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供以了一種新思路。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)仿生學(xué); 工程機(jī)械; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 有限元分析;
1引言
仿生學(xué)是應(yīng)用自然界當(dāng)中的生物材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及功能原理來(lái)為工程機(jī)械設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與實(shí)際應(yīng)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(jié)合, 有著廣泛的適用性。將生物結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)秀力學(xué)特性應(yīng)用于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中, 能夠給予工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供以重要的新思路與新方法。應(yīng)用仿生學(xué)來(lái)就工程機(jī)械的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)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(xiàn)實(shí)意義。
2概述
結(jié)構(gòu)仿生學(xué)是針對(duì)自然界當(dāng)中生物結(jié)構(gòu)來(lái)展開(kāi)相關(guān)的研究工作, 對(duì)于各種生物體的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行觀察、分析, 而后應(yīng)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(shè)計(jì)改進(jìn), 并由此來(lái)促進(jìn)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其效率能夠得以大幅度的增強(qiáng)。這同時(shí)也是一項(xiàng)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(nèi)容就含括了自然界當(dāng)中的各種動(dòng)植物。目前可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生學(xué)的應(yīng)用主要包括了機(jī)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(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的理論研究與技術(shù)探索, 對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義。
3工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的基本原則
依據(jù)生物機(jī)構(gòu)本身的力學(xué)特征, 在開(kāi)展工程機(jī)械設(shè)計(jì)之時(shí)可總結(jié)出以下幾項(xiàng)基礎(chǔ)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則:
(1) 科學(xué)應(yīng)用好多孔結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重量的減輕。適當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式, 將應(yīng)力安全區(qū)域內(nèi)材料及時(shí)去除, 在確保對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生嚴(yán)重影響的情況下盡可能確保結(jié)構(gòu)能夠輕量化。
(2) 科學(xué)應(yīng)用多種完全不同的材料來(lái)促進(jìn)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的全面提升。如科學(xué)應(yīng)用好多種材料本身所具備的多層結(jié)構(gòu), 并以此來(lái)促成綜合性的力學(xué)性能可得以顯著提升。
(3) 受力結(jié)構(gòu)方式簡(jiǎn)易, 結(jié)構(gòu)件數(shù)量應(yīng)保持適當(dāng)合理性, 結(jié)構(gòu)形狀變化應(yīng)確保適度緩和。
(4) 把仿生學(xué)科學(xué)運(yùn)用到工程機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造方面, 同樣要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的研究, 其中難免會(huì)遭遇到許多的挫折與挑戰(zhàn)。工程機(jī)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(jié)構(gòu)范例對(duì)于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。生物結(jié)構(gòu)與工程機(jī)械本身存在著一定的天然結(jié)合條件, 把仿生學(xué)運(yùn)用到工程機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可發(fā)揮出良好的工程現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
(5) 結(jié)構(gòu)質(zhì)量布設(shè)適宜, 預(yù)防質(zhì)量多度集中。如針對(duì)承受彎矩載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大結(jié)構(gòu)截面的慣性矩以促進(jìn)其抗彎性能能夠得以有效加強(qiáng)。
(6) 將結(jié)構(gòu)曲率的支撐效果予以充分運(yùn)用。如殼體外凸板材在遭受壓力與沖擊影響時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及剛度仍能夠超過(guò)一般性的平板材料。
4工程機(jī)械結(jié)構(gòu)部件仿生學(xué)設(shè)計(jì)
4.1 挖掘機(jī)斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在開(kāi)展挖掘機(jī)斗桿仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)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(jī)斗桿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算基礎(chǔ), 在此階段需線設(shè)計(jì)斗桿容量, 通常在1.2m3左右, 挖掘機(jī)重量約為25噸, 運(yùn)行功率為120k W, 采用如下公式進(jìn)行計(jì)算處理:
在上述公式中Li表示斗桿尺寸大小;
i為結(jié)構(gòu)部件;
G為挖掘機(jī)重量。
在經(jīng)過(guò)計(jì)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(shè)計(jì)圖紙的繪制。
4.2 仿生底架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)有限元分析
為了檢驗(yàn)仿生結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)特性, 還需針對(duì)仿生結(jié)構(gòu)實(shí)施有限元分析, 加載和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所較為接近的載荷與約束性條件。仿生結(jié)構(gòu)相較于常規(guī)的底架結(jié)構(gòu)其應(yīng)力分布更加均衡, 對(duì)于材料也有著更高的利用率。最大應(yīng)力值可達(dá)到40.045MPa, 最大應(yīng)力區(qū)域相對(duì)較小。整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相較于常規(guī)底架結(jié)構(gòu)更加均勻, 承載方式也更加合理。應(yīng)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(yīng)力區(qū)域相對(duì)偏小, 并不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響。這一部分的結(jié)構(gòu)也相對(duì)較為簡(jiǎn)潔, 利用對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理與控制可有效降低應(yīng)力集中現(xiàn)象, 促使結(jié)構(gòu)能夠更加方便的實(shí)現(xiàn)改進(jìn)處理。
4.3 底架模態(tài)分析
鑒于工程機(jī)械的工作環(huán)境往往十分惡劣, 不僅地形環(huán)境十分復(fù)雜, 而且還時(shí)常要遭受沖擊影響。利用模態(tài)分析便可準(zhǔn)確找出結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)類(lèi)型及頻率, 從而也便能夠反映出結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)特點(diǎn)。模態(tài)分析只針對(duì)底架結(jié)構(gòu)施加限制。由頻率分布來(lái)分析, 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頻率更低, 仿生結(jié)構(gòu)較高, 此即表明仿生結(jié)構(gòu)在抗震性能方面效果更加, 具有更好的穩(wěn)定性, 實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
5結(jié)語(yǔ)
總而言之, 在本次研究中就針對(duì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)在應(yīng)用到工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析, 而后就以挖掘機(jī)斗桿為例對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)部件仿生學(xué)設(shè)計(jì)展開(kāi)了深入的研究工作, 經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)底架結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果分析, 對(duì)底架仿生結(jié)構(gòu)實(shí)施了工程轉(zhuǎn)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(jī)斗桿的強(qiáng)度與剛度。最終希望借助于本文的研究工作能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)的工程轉(zhuǎn)化提供一些新思路、新方法。
參考文獻(xiàn)
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