结构仿生理念在工程机械构造设计之应用研究

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1、结构仿生理念在工程机械构造设计之应用研究第一章绪论1.1课题背景与研究意义仿生学是利用自然界中生物的材料、结构、形态和功能原理等信息，来指导和应用于工程实际中的交叉学科，几乎其它所有的学科都可以与仿生学相结合。仿生学在成功解释奇妙的生物学现象的同时，也将深刻的物理学原理与生命世界有机地联系起来，为我们提供无尽的知识和创新的源泉。在亿万年的时间里，大自然的环境不断发地变化，地球上的生物都经受着优胜劣汰这个自然规律的筛选，大多数生存下来的生物物种都拥有着优秀的身体结构和功能，能够承受和适应环境的改变得以顺利繁衍，生生不息。例

2、如海边贝壳的材料只是碳酸f丐、蛋白质，却能通过巧妙地交替层叠结构达到极高的强靭度和硬度⑴；骨豁外层是结构致密的韩化层，内部由不规则的骨板和骨细胞构成骨小梁。骨路的密度小，强度和初性高，能吸收很大的外力冲击[2]。蜂窝结构由整齐的六棱柱的小蜂室构成，每个蜂室的底部由3个相同的菱形搭接，所构建的空间容量大、强度高，且材料最省。自然界中还有许多分级的多孔结构，如木材、竹子、昆虫的外骨豁等，具有轻质、高强度、高初性的优良性能。人类在自然界生存的短暂历程中，学会了利用自己的智慧来影响和改造着身边的环境，得以克服自然环境所带来的一些

3、负面影响，并借助于各种工具将身边的环境改造得更利于自己居住。人们开始更多地利用一些已知的自然结构来实现优秀性能的工程结构和材料制备。如多层结构的板材和钢缆、蜂窝板、多孔板等轻质材料。自然界中的生物普遍是通过自身的结构的改造这种低成本的方式来达到与环境相适应的目的。许多看似简单的生物结构，却已经是生物体与自然相适应的最佳方案。就动物来说，其生存所依赖的功能大多与身体结构中的硬体部分密切相关。虽然从骨骼上看各种动物都有各自不同功能和外形的骨骼结构，但是其内部结构、组成和排列方式却是基本一致。这便是生物学中的同源器官。对于具有

4、同源器官的生物，一般认为是由共同的原始祖先进化而来的。由于各自所生活的环境不同出现了功能和形态上的变化。同源器官彼此相似的结构使得在生物即便需要实现+同的功能时，在身体结构上也不需要做过大的变动。1.2工程机械行业的发展概述1.2.1工程机械行业的诞生与发展工程机械行业也就在这个过程中逐渐发展壮大，成为人类改造自然界，创造人类文明不可缺少的工具。第三次工业革命是人类的信息控制科技快速发展的技术飞跃，不仅推动了人类社会的变革，也改变了人类的生活和思维方式。信息技术的发展极大地推动着技术的发展，信息化也在现有的各种技术中不断

5、渗透和融合着。技术的推动加之人类对改造自然的迫切需求，催生了工程机械行业的快速稳定的发展。1842年，美国发明家JeromeIncreaseCase在美国拉辛(Racine)建立了凯斯公司，进行农机生产。1912年CASE公司便开始了公路建筑设备的生产。1957年CASE公司推出了第一台工程用挖掘/装载机CASE320。1904年，Holt公司(Caterpillar公司的前身)研制成功第一台蒸汽式履带推土机。1925年，Holt制造公司与CL.Best推土机公司合并一卡特皮勒推土机公司。由于其产品的结实、耐用，美国军方

6、多次在战争中使用其生产的工程机械产品。1919年ATLES公司在德国成立，其在履带推土机上成功使用了液压技术制成液伍起重机，推动了液压技术在工程机械上的应用。1950年第一台全液压挖掘机成功下线。整个工程机械行业便在人类的需求和创新中加速了社会和经济的发展，也让我们的生产逐渐摆脱了危险繁重的直接人力施工。1.2.2现有工程机械产品我国的机械工业起步并不比其他国家晚，但整个工业由于战争和其他的复杂因素，我国的工程机械行业在解放以后才得以实现正常的发展。到1978年之后，第一机械工业部成立了工程机械管理专业局，标志着我国的工

7、程机械行业初步形成。经过了近二十年的成长和改革之后，我国已经拥有了一批初具实力的工程机械公司，如徐工、三一重工、柳工等企业。随着我国社会主义现代化建设的快速推进，基础设施建设项目的不断增加极大的促进了我国整个工程机械行业的发展。一些大型的水利项目、能源开采、道路施工、城乡住房建设的增加和开展，为工程机械行业提供了很好的市场和发展空间。2010-2011年我国工程机械行业迎来了一次极大的发展，整个工程机械行业的营业收入增长了近50%，一批公司在这次扩张中壮人了自己的实力和规模。三一重工以215.84亿美元的市值第一次进入了

8、全球企业500强的榜单之中，也成为我国首个入围全球500强的工程机械企业。我国的工程机械行业正在崛起和壮大。第二章结构仿生学理论研究与应用2.1结构仿生学概述结构仿生学是以生物的自然结构为研究对象，通过观察、分析生物体不同尺度的结构特点，对现有的材料、结构和系统进行仿生学改进和设计，提高工程结构的效率和可靠性。它是典