结构仿生学在工程机械结构设计中的应用研究

结构仿生学在工程机械结构设计中的应用研究

李玉龙唐小景李海银

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摘要：结构仿生是通过研究生物肌体的构造建造类似生物体或其中一部分的机械装置通过结构相似实现功能相近。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。

关键词：结构仿生学；工程机械；结构设计；

1仿生学概述

1.1仿生学原理

仿生学是在20世纪60年代开始形成并出现的一门新型学科，是生物学和工程技术学科结合在一起互相渗透而孕育出的新生科学，仿生学是人类模仿生物功能进行发明、创造技术结构的科学，其研究的是如何把生物体具有的功能或结构以及工作原理等，移植到工程实用技术中。仿生学定义为把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究并改善现代技术设备创造新工艺技术的科学。也有人简单地概括为仿生学就是模仿生物的科学。仿生学是边缘科学，涉及到生理学、生物物理学、生物化学、医学、神经学、物理学、数学、电子学、材料科学、信息科学、控制论及自动化科学技术、工程学等众多学科。结构仿生是通过研究生物肌体的构造建造类似生物体或其中一部分的机械装置通过结构相似实现功能相近。结构仿生中分为蜂巢结构、肌理结构、减粘降阻结构和骨架结构四种结构类型。随着现代科学技术的不断进步，仿生学的概念也被不断完善和改进，逐步形成系统的仿生学体系。实质上看，仿生学的产生是人类主动学习意识下的产物。它带给人类带来了创新的理念与学以致用的方法，使人类以不同的视角看世界发现未曾发现的事物实现科学技术的原始创新，这是其他科学不具备的先天优势。

1.2仿生设计法

1.2.1非光滑表面的仿生设计

非光滑表面的仿生设计主要就是针对易磨损的机械设备来设计的，主要的特性就是耐磨。机械设备中为了减少设备部件的磨损，就要在设备的材料中寻找解决措施，如果没有将设备的耐磨性做好，设备就会出现磨损。非光滑表面的仿生设计就是要防粘，有些机械设计在设计的时候是无法避免机械的粘黏的，如果机械设计中没有对机械进行粘黏处理，就会导致机械设备在使用的时候出现故障，对工程的应用造成影响。在机械设计的时候也可以将这一特性结合到机械设备中，让机械设计更加的合理。

1.2.2功能仿生

功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，这在智能机器人的研究中具有重大意义。目前在工业领域中应用的机器人以焊接、装配、喷涂、搬运等工作为主，其共同特征是作业方式单一、缺乏变化。但是随着社会发展，机器人需要在更加宽泛的领域得到应用。除了进行生产之外，生活、娱乐和享受对于人类来说同样不可缺少，活动方式和身体结构酷似动物的仿生机器人将在这方面大显身手，如防灾救援和教育娱乐等。对人的独特思维功能的仿生是仿生机器人领域的最高目标。

1.2.3机械材料仿生设计

机械材料的仿生研究是材科学里的突破性领域，通过对动植物等生物组织的构造、组成成分、原理和材料等分析，能够为新型材料设计提供许多重要灵感。生物复合材料就是基于天然生物材料的构成原理，结合新型复合材料研究的基础，逐步模仿和发展而成的具有生物特性的特种工程材料，相比传统的金属材料和高分子材料，其在使用性能和改善机械特性，上具有独特优势。

1.2.4仿生涂层设计

结构设计的第二个特点就是仿生涂层设计，仿生涂层设计也是被经常应用的一个设计方式。人们对海螺壳等层状设计结构进行了研究，与机械设计中的耐磨性进行了联系，人们发明了一种涂层体系，这种涂层体系就是模拟生物结构的矩阵结构，模拟生物结构的矩阵结构，对陶瓷结构进行改性，设计出高韧性陶瓷等。海螺壳、蛤喇壳是生物体通过把强度很低的碳酸钙整合后才具有的较高强度。有鉴于此，现在人们通过以下二种途径来实现整合涂层：一是有效排列分子，使其呈DNA螺旋结构，达到较高的机械强度；二是采用不同的材料组合成整合涂层，从而具有更高的机械强度和摩擦性能。

2工程机械结构设计应用结构仿生学的基本原则

依据生物机构本身的力学特征，在开展工程机械设计之时可总结出以下几项基础性的结构设计原则：（1）科学应用好多孔结构形式来实现对重量的减轻。适当调节结构形式，将应力安全区域内材料及时去除，在确保对机械结构不产生严重影响的情况下尽可能确保结构能够轻量化。（2）科学应用多种完全不同的材料来促进结构整体力学性能的全面提升。如科学应用好多种材料本身所具备的多层结构，并以此来促成综合性的力学性能可得以显著提升。（3）受力结构方式简易，结构件数量应保持适当合理性，结构形状变化应确保适度缓和。（4）把仿生学科学运用到工程机械的设计与制造方面，同样要进行长时间的研究，其中难免会遭遇到许多的挫折与挑战。工程机械日常的工作环境和自然界中某些生物所面临的环境十分接近生物结构范例对于工程机械结构设计本身具有一定的指导价值。生物结构与工程机械本身存在着一定的天然结合条件，把仿生学运用到工程机械设计与制造过程中可发挥出良好的工程现实价值。（5）结构质量布设适宜，预防质量多度集中。如针对承受弯矩载荷的结构应适当扩大结构截面的惯性矩以促进其抗弯性能能够得以有效加强。（6）将结构曲率的支撑效果予以充分运用。如壳体外凸板材在遭受压力与冲击影响时结构稳定性及刚度仍能够超过一般性的平板材料。

3仿生学原理在机械设计领域中的具体应用分析

3.1触土机械的设计

1）钻头，在钻探工作中，经常会遇到钻头泥包问题。吉林大学正在研究设计一种仿生钻头，这种钻头的体表面仿造穿山甲背部鳞片的分布形式，钻头的切削齿仿造穿山甲的爪趾形状，以达到在泥质岩中钻进时减粘、降阻、脱附，有效地防止钻头泥包现象，提高机械钻速。2）深松部件，通过在室内大型土壤进行耕作试验，测定各种深松部件耕作以后土壤的宏现扰动轮廓和耕作阻力，结果表明郭志军等制作的外形仿生弯曲型深松部件的深松阻力取得最小值。3）推上板，在进行土壤切削试验时，丛茜等设计的仿生非光滑鳞片形推上板不易发生粘附，与光滑的推土板相比平均降低推土阻力15%左右。

3.2复合涂层体系的设计

仿生非光滑耐磨复合层的设计原则是由软、硬多相材料交替叠层形成的非光滑表面，具体来说就是将增强硬质颗粒钎焊在基体材料（碳钢）表面，形成非光滑耐磨复合层。这种结构既保证了基体的强韧性，又能保证非光滑表面具有减阻、耐磨作用。复合层的厚度可从几毫米到几十毫米不等。如任露泉等制备出的钎粒/WC（60/80目）/钎料/钢仿生非光滑耐磨复合层，其耐磨性为基体45钢（淬火态）的29倍。

3.3机械手与机器人的设计

华南农业大学利用仿生学原理设计了水稻工厂化育秧拔苗机械手，用以解决拔秧抛植的有序栽植问题。李明东等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA丝（形状记忆合金）来驱动一个微型机器人手臂，将机器人传统的关节驱动方式转变为肌肉驱动方式。马建旭等模仿人体下肢设计的关节式弹性步行机构，在机器人的小腿中安置弹性装置，通过四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，产生缓冲、储能效果。

总结：工程机械仿生学的研究主要是为了从自然界获取灵感，使工程机械与自然生态环境能够协调发展，提高工程机械的使用效率。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]孟相光.结构仿生学在工程机械结构设计中的应用研究[J].2013.

[2]陶校文.工程机械结构设计中结构仿生学的应用探究[J].科学与财富，2015（2）.