工程机械结构设计中结构仿生学的应用探究

摘 要：“仿生”是人们从自然界及生物体结构吸取灵感和经验的一种重要方法。随着科技的发展和人类的进步，现代的科学研究为解释了奇异的现象提供了依据。自然界中的生物体本身的不同结构也在被人类发现并且用于不同的发明创造中。本文通过研究工程机械设计中的仿生学，本文通过对工程机械的结构仿生学设计方法进行探索和研究，对工程机械的斗杆结构和底架结构进行了仿生学设计，并对其进行了有限元的静力学分析。

关键词：工程机械；结构仿生；设计

仿生学利用自然中的生物，主要是生物的结构、材料以及形态这些方面，人类从分析生物体的这些结构得到灵感，把灵感用于工程机械相关产品的设计构思上来，而根据这些生物的结构及仿生学的相关知识，把结构仿生学应用于工程机械中，创造出更多有价值、有意义的产品，推动工程机械行业的发展。

1 仿生学简介

1.1仿生学定义

仿生是人类利用自然和改造自然的一种思想，也是最早的学习方式。仿生学是利用自然界中生物的材料、结构、形态和功能原理，来指导和应用于工程实践中的交叉学科，几乎所有的学科都与仿生学相结合。

1.2结构仿生学简介

结构仿生为力学仿生，主要是研究生物体本身和大自然的大致结构和精细的结构以及它们结构的力学性能，根据这些性能设计出具有优良力学性能的建筑、工业产品等。马克思曾经赞叹过蜜蜂建造的蜂巢，是一种六边形的网状结构，它的优点是结构稳定、孔隙率低、容量大等优点，设计师受到蜂巢的启发，把悬索桥的主缆截面也设计成六边形的网格状，增强了桥梁的稳固性。

1.3结构仿生学的应用

目前，结构仿生学已经应用在建筑、工业设计等方面得到了应用。建筑仿生主要是以自然界生物体的外部形态和组织结构为依据，探索其中的建造规律，将研究的成果运用到建筑设计中来。工业设计中运用的仿生，主要是从产品的形态设计、色彩设计、结构设计、质感和肌理设计等方面进行的，结构仿生在工业设计中的应用主要是通过对各种生物体的内部结构原理分析和研究，去除无关的因素、加以简化，构建一个生物模型，研究其结构用于工业设计。另外，还有服饰设计，也用到了仿生学。服仿生设计是采用象征的具体手法和隐喻的抽象手法来实现的。如原始社会的非洲人头上插着翎毛。现代的服饰仿生设计包括造型仿生设计、色彩仿生设计、面料仿生。

2 工程机械行业发展概述

2.1工程机械行业的诞生与发展

随着社会的发展和人类科技的进步，人类利用自然和改造自然的能力也在不断增强。从第一次人类的工业革命开始，就把人类带入了机器和蒸汽时代，人类改造自然的能力在蒸汽的自动化推动下，进一步提高，生产方式上由机器代替手工。第二次工业革命出现电力、煤炭等新能源，内燃机的出现带来了轮船、飞机、汽车等新的高效的交通工具，开阔了人类的视野，机械工程行业也是在这个时候日益发展壮大的，变成了人类利用和改造自然的重要工具。第三次工业革命是科技信息的快速发展，推动了社会变革和进步，技术的推动催生了工程机械行业的快速稳定发展。

2.2现有工程机械产品

中国在目前的国际市场上，是世界上工程机械生产大国，产量居全球第三位。在生产的机械产品中，装载机和挖掘机等这些土石方方面的工程机械，是世界上销量最大、市场最大的，尤其是土方装载机。挖掘机主要用在土建施工、公共设施建设等领域，而小型挖掘机也占据着不小的市场份额。由于国产技术的落后，中高端产品还是主要依赖进口，挖掘机也主要由国外的品牌主导。

2.3我国工程机械行业的发展

我国机械行业的起步并不晚，但由于其他的各种复杂的原因导致发展缓慢，1978年之后，我国的工程机械行业随着“工程机械管理专业局”的成立而形成。在经过了二十几年的发展，我国已经拥有了一大批具有基础实力的生产工程机械产品的公司，而现代化的发展以及基础设施建设项目的增大加速了机械行业的发展。2010-2011年，我国的机械工程行业迎来极大的一次发展，三一重工的入围工程机械行业的世界500强，进一步发展壮大了我国的工程机械行业的快速发展。

2.4我国的工程机械行业存在的问题

工程机械行业的技术发展代表国家的重型装备的制造水平，我国的机械行业虽然起步较晚，但发展快，生产的工程机械产品一方面要满足国内需求，另一方面还要扩大海外市场，有些公司已经完成了产品的设计和制造。但我国的机械产品层次较低，质量、可靠性等指标与国际相差甚远，有些核心部件和关键零部件，由于技术、材料等方面的差异，难以有较大的突破，对国外产品依旧依赖，制约了我国机械行业的发展。

3 结构仿生学的现状

3.1国外研究现状

德国弗朗豪夫研究所利用仿生学原理对机床系统分析和改进，研究了效能的提升方法。美国的宾夕法尼亚大学利用测力仪做了相关的测量，分析了目前骨关节的结构力学国内外研究现状。还有美国的研究者Menon和Stitti主要对壁虎的攀爬研究，利用仿生学原理制造出仿生机器人。曼彻斯特大学的Lin Chen，Lei Ren探索了生物体的肌肉对肌肉骨骼的作用，为仿生机器人的研究提供依据。

3.2国内的研究现状

我国对结构仿生学开展研究的科研机构有吉林大学、南京航空航天大学以及北京理工大学等。其中研究的内容主要在对生物的表面脱附的研究、结构仿生优化的研究等方面。张静霞对人体的关节、手指、手臂等的相关研究，归纳了仿生的运动副的基本分类及结构形式，从而给仿生机器人的相关的结构设计奠定了基础，提供了依据。陈五一等根据仿生学的原理，对机床仿生优化，得出模仿人类骨骼结构的仿生结构，优化效果明显。吉林大学对工程仿生学的研究，主要是在仿生表面脱附上，研究的成果已经用于工程中。岑海棠等在分析仿生学演变的基础上，强调了多学科协作，以及仿生理论的重要性。杨绘宇等根据蝗虫的身体构造，建立模型，研究了影响蝗虫跳跃的关键因素，为机器人的进一步研究提供理论基础。钱欢欢，吴小涵等通过对建筑个例的分析，提出建议，并对仿生学在建筑中的应用进行展望。

4 课题研究意义

4.1结构仿生学理论研究和典型生物结构的力学特性分析

结构仿生学是学习和模仿自然界生物的优秀结构的一种设计手段，具有创新性。是一种单元性的仿生学，它与其他的学科具有相对有限的联系，其实目前并没有形成一套完整有效的结构仿生学的研究机制，而且研究的内容以及研究方法都有很大的随机性，内容和方法可以彼此借鉴，而且有限。本文主要从结构仿生学的学科联系和与工程机械结合的关系、结构仿生学的理论基础等方面进行论述，加强了对结构仿生学的认识，加深了对仿生学的研究成果的认识及了解，对于我们生物力学及结构设计等这些学科内容的认识也有很大的帮助。

4.2对工程结构设计的创新性研究

我国的机械工程产品多是参考国外已有的产品，是“中国制造”而不是“中国创造”，结构设计的模式相对已经固定，积累的数据不足，通过分析机械工程和生物结构的关系，以力学为基础，有利于启发结构创新的灵感，改善难以突破的设计瓶颈。对生物的器官组织分析探索，可以改变传统的设计思维，增加的各种各样的机械产品结构设计的相通性。

4.3工程机械仿生结构进行力学分析

对于那些根据仿生学设计出的结构，必须要进行强度和刚度的校核和工程结构的相互转化，可以多次反复的进一步优化，这样才能进行下一步的试验以及推广应用。例如设计出来的仿生斗杆的结构、仿生底架结构的部分零件，我们必须要进行相关的有限元的静力学分析，之后还要把传统结构以及仿生结构的力学方面具有的特性进行对比，只有通过这些步骤才能确定仿生结构所能达到的优化程度，才能确定可以进一步试验和推广应用。

5 结束语

人的创造欲望推动了创新的发展，创新的灵感来自社会和自然，我们的创新产品是为自然和社会服务的。研究仿生学在工业机械设计中的应用，是为了创造更多的高效的产品为社会和人类及自然服务，促进国家的机械产品的发展，使我国的机械产品走向世界。

参考文献

[1]李红.浅析仿生学在设计领域的应用[J].大众文艺，2012，（6）.

[2]曾凡林，谭德盼.瞻望仿生学在桥梁设计中的应用[J].交通科技，2012，（3）.

[3]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，（1）.

作者简介：

陶校文（1992-），男，汉族，湖北黄冈人，本科，武昌工学院学生，工业设计。