正轨箱梁横向肋的竹子结构仿生学设计

摘要： 为了使起重机箱梁结构轻量化，以竹子为仿生对象对正轨箱梁横向肋进行了结构优化设计.通过研究竹子结构特征参数的自然分布特性与受力特性之间的关系，发现不同受力截面对应不同的等效节间距；考虑加劲肋间距对结构刚度和强度指标的影响，设定加劲肋极限间距，建立了正轨箱梁加劲肋变间距等稳定性优化策略，结合有限元弹性屈曲分析进行迭代优化，实现了加劲肋变间距等稳定性设计.研究表明：优化求解速率随偏差率增大而增大；仿生箱梁较传统箱梁加劲肋数量由15道减小为10道，两根主梁重量减轻136.12 kg；各截面屈曲抗失稳能力差异减小，同时满足强度和刚度设计要求.

关键词： 仿生学；竹子；起重机箱梁；结构优化

中图分类号： TH213.5文献标志码： ABionics Design of Transverse Stiffener in

起重机箱梁结构动作时能耗量巨大，通过结构轻量化设计，可以减轻起重机金属结构自重，减小起重机大（小）车运行阻力，最终实现较低的运行能耗.针对箱梁结构轻量化设计问题，研究人员采用高强度结构钢进行材料替换[13]，或对结构参数进行相关优化[4]，但这些工作仍未突破传统的设计思路，多凭经验进行设计计算，造成箱梁结构质量过大.在现有结构设计理论基础上，要进一步降低结构件质量、提高结构件的承力性能，必须找到新的结构设计方法和思路.自然界中的生物体在环境中长期进化，在结构与功能原理方面具有比人造机器更高的优越性，为人类解决工程技术问题提供了大量设计原型和创造性改进方法[5].

竹子是天然的轻量化结构，竹节不仅具有防止弯曲及屈曲的加劲肋作用，还具有防止纤维组织在轴向裂纹扩展的作用[68].在竹子细观结构仿生学应用研究方面，文献[9]中运用竹子茎秆截面的细观结构进行了圆柱壳体的结构仿生学设计，整体结构效能提高124.8%.文献[10]中借鉴竹子茎秆截面的细观结构形状和排列方式，对翼身结合框进行了结构仿生学设计.已有文献均未涉及利用竹子宏观结构特征参数进行仿生学设计.本文以竹子为研究对象，研究竹子茎秆结构参数（壁厚、直径、节间距）分布特性与受力特性之间的关系，指导正轨箱梁横向肋的仿生布置设计，为箱梁结构轻量化设计提供理论基础和设计思路.1竹子茎秆结构的构型规律相似是仿生的基础，在结构、受力和功能方面，全面系统地理解生物体和工程原型间的相似性是结构仿生设计的关键.竹子为高长细比含茎秆节（加劲肋）空心结构，在生长环境中茎秆承受风载、西南交通大学学报第48卷第2期付为刚等：正轨箱梁横向肋的竹子结构仿生学设计自重等引起的弯矩、剪力和扭矩的作用，具有极强的抗弯力和抗折力.在结构上正轨箱梁同样为高长细比含加劲肋空心结构，在工作过程中主要承受弯矩、剪力和扭矩的作用，其在结构特性和受力特性方面与竹子存在相似性.1.1竹子结构参数自然分布特性记竹子底部至顶部节数依次为1，2，…，k，…，N，运用游标卡尺测量绿竹茎秆的宏观结构特征参数.茎秆壁厚分布规律如图1所示.由图1可知，竹子茎秆壁厚并不均匀，受压区较受拉区厚度要相对大些，从底部到顶部壁厚总体上呈减小趋势，图2为茎秆平均直径分布规律.由图2看出，从底部到顶部茎秆平均直径逐渐减小，且减小趋势近似呈线性关系，因此，可将竹子视为圆锥壳结构.

5结束语本文定义了间距变化搜索算子和局部（终止）收敛判据，确立箱梁变间距等稳定性优化设计策略；根据加劲肋间距对结构刚度、强度指标的影响规律，设定加劲肋仿生优化极限间距.经实例研究表明：

（1） 优化求解速率与偏差率大小紧密相关，偏差率越大，收敛速率越快.当偏差率为2%时，优化后单根主梁加劲肋数目由15道减至10道，两根主梁质量减轻136.12 kg，间距分布范围由0.445～0.530 m扩大至0.550～1.100 m，主梁屈曲载荷比值分布相对均匀，且最大值由34.20降到18.54.

（2） 正轨箱梁加劲肋间距优化前后，箱梁强度、刚度设计指标差异较小、均能满足设计要求，与经验公式分析结果相一致.

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