在工程机械结构设计中结构仿生学的应用研究

　　摘要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。

　　关键词工程机械；结构设计；仿生学；应用

　　1仿生学原理

　　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。

　　2工程机械概述

　　2.1基本组成

　　工程机械结构的种类繁多，大到国民经济建设中起着重要作用的交通运输、能源、矿山、农林水利、市政建设、国防安全建设；小到计量仪器仪表、日用生活器具等方面都起着重要的作用。我国的工程机械是对各施工部门所使用的机械设备的总称，包括建筑机械、铁路与公路工程机械、矿山机械、水电工程机械、林业机械、港口机械、起重运输机械、生产制造业辅助机械、仪表及设备传动机械等。由于种类繁多，而且在每个种类下都细分有更多的型号，所以工程机械的分类方法很多。工程机械种类繁多，结构和功能多种多样。不过从总体上看一台完整的工程机械是由动力部分、传动部分和工作装置三大块构成。动力装置。通过能量交换给工程机械提供能量的发动机称为动力装置。常用的有电机和内燃机。传动装置。将发动机提供的机械能传递给工作装置，一般有四种形式：机械传动（如膜式燃气表中计量单元应用的四连杆传动机构）、液压传动、液力传动和电传动。工程机械当中机械传动和液压传动应用较多。工作装置。工程机械实现预期的功能和作业要求都是通过工作装置完成的。设计时，是先确定工作装置，然后进行动力部分和传动部分的设计。由于作业要求和施工条件的不同，工作装置的结构也是各式各样，是工程机械结构中种类最多的部件。工作装置要求高效率、多功能，笨重低效的结构会被淘汰。另外也有资料将动力部分、底盘和工作装置作为工程机械的三个基本组成。

　　2.2工程机械总体设计与结构仿生学的结合

　　总体设计是工程机械设计中一个重要的环节，对工机械的性能起着决定性的影响。总体设计过程中需要考虑许多因素，包括机械的用途、作业的特点、使用要求等内容，合理地选择整机各部件的结构形式，合理的选定结构尺寸和性能参数，对总体结构和运动形式进行校核，保证所确定的机器尺寸和参数满足设计要求。从总体设计的内容可以看出，该部分较多的涉及机械总体尺寸、结构形式和主要的性能参数等内容。生物结构中合理的尺寸和构成形式能够在一定程度上为工程机械的总体设计提供很好的参考。在整机的主要性能参数设计内容中，能够与结构仿生学相结合的内容有外形尺寸、工作装置的特征尺寸等内容。对于施工中常见的工程机械，如挖掘机、装载机、起重机等产品经过长期的生产和使用，结构形式都已经标准化，因此，要进行结构的仿生学设计就要突破以往的形式。接下来本文主要探讨了结构仿生学在工程机械结构设计中的应用。

　　3仿生学原理在机械设计中的实际应用

　　纵观当前机械仿生设计的发展趋势，在实际生产中的应用更加多元化与广泛化，而相应的技术革新也正逐步走向智能化与全面化，现具体举出以下几例加以分析：

　　3.1半步行轮驱动机构

　　在地面工作机械的仿生设计研究中，半步行轮驱动机构是根据传统的水牛耕地现象而创造出的新型技术，通过对水牛在水田中的工作特征分析，陈秉聪等人提出了全新的“半浮式理论”，有效地将机械运动中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驱动”加以有机结合，以此改变了传统生产中承重与驱动并存的结构体系，而代之以一种适用于水田及松软土壤工作的高效生产方式。同时，从机械仿生设计所延伸的一系列研究中，也相继推出了眾多滚动阻力较小，而驱动动力较大的先进设备，为行业生产提供了巨大的动力。显然，仿生学原理在机械设计中的实际应用不仅加快了机械设备的改革，而且还有效促进了设备实效化、便利化的发展[1-2]。

　　3.2大型触土机械设计

　　在大型触土机械的设计方面，相关科研人员也从深松部件、钻头以及推土板三个方面的结构中找到了仿生学结合要点。通过不断操作试验，在减小深松阻力这点上，成功提出了仿生弯曲型结构，而且在钻头设计上，同样参照穿山甲体表鳞片分布形式制作出了新型的仿生钻头，不仅有效解决了生产工作中的钻头泥包问题，还极大地加强了泥质岩钻探中机械设备的实际工作效率。由此可见，随着仿生学原理的不断深化应用，机械设计中存在的一些难题也将逐步得到妥善的解决，实际设备生产效率也将因此而大大提高。

　　3.3人工智能机器人

　　近代机械设计领域的发展成果中，最重要的莫过于机器人，这不仅仅是机械制造重大变革的体现，更是仿生学原理在机械设计方面的本质性应用。目前，相关的人工智能机器人的设计制造等都已较为纯熟，通过对人体相关结构体系的不断认知，机器人已然能够适应人类生产生活中的大部分工作。仿生机械手关节的设计无疑大大加强了机械设备的灵活性，而随着计算机网络技术的配合推进，机械自动化生产进程也因此而得到了促进。

　　4结束语

　　生物为了适应自然界的发展规律，不断进化和完善自身的性能及组织结构，获得了结构完整、新陈代谢和自我更新的保障体系，从而得以生存和繁衍，确保生物链的延续性与平衡性。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。本文主要分析了仿生学在工程机械结构设计中的相关应用，仅供参考。

　　作者：王磊

　　参考文献 

　　[1] 王珂.基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计研究[D].山西太原：中北大学，2015. 

　　[2] 于用军.基于牛角结构的缓冲吸能保险杠仿生设计及仿真分析[D].吉林：吉林大学，2015.