结构轻量化仿生设计方法及应用研究

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雅宝题库解析：
科学技术的发展，使工程领域设施向更高精度，更高速度，更加可靠，更加节能的方向发展。具体要求就是在保证强度、刚度及稳定性的前提下，尽可能地减轻重量。轻量化现已成为工程结构设计最重要的评价指标之一。生物体经过亿万年的演化,具有高效低耗的优良承力结构，对机械结构的轻量化设计有借鉴价值。结构仿生就是通过研究生物体的宏观、微观优异特性，并应用于工程技术设计，充分实现结构的轻量化。本文通过典型的生物结构受力分析及特征提取，建立了生物结构和载荷相关度的定量或定性分析模型，兼顾生物生长约束，详细研究了生物内部的孔隙结构、夹层结构、梯度结构及复合结构等微观结构与载荷状态的相关关系，系统总结了典型生物体的结构特征、构成规则、力学原理及构型规律，为结构仿生提供了相应的基本理论和力学依据。为结构轻量化仿生设计提供了技术上的支持。提出了建立仿生知识库的构思，创建了仿生知识库框架，搜集了大量生物数据和仿生信息，初步建立了结构仿生数据库管理系统，论证了通过目标功能匹配完成仿生设计的可行性，并基于此提出了结构仿生设计的目标功能比拟法。系统分析了结构仿生设计与拓扑优化技术之间的区别与联系，给出了生物承力结构质量阈值的概念和表达式，提出了结构仿生与拓扑优化互补设计法，详细制定了工程实施的基本步骤，针对生物结构类型和机械结构特征，取长补短，灵活应用，将获得最佳的结构效能。基于仿生知识库，确定了扫描架旋臂结构轻量化仿生设计的生物原型和选型型谱，给出了旋臂结构概念模型，通过断面及长度选优，完成了旋臂轻量化仿生设计。工程实验表明，利用生物结构优异特征和构型规律进行传统机械结构的轻量化设计是一种创新性途径。根据结构仿生与拓扑优化互补设计法的基本步骤，首先基于典型生物结构特征给出了低RCS（Radar Cross Section: 雷达散射截面）塔架的仿生设计演进过程，然后借助拓扑优化技术给出了结构材料最优布置型式，最后补充融入优异生物结构特征，设计了塔架结构仿生概念模型。同时，结合工程实际，并利用Ansys的APDL程序进行了塔架结构尺寸参数的优化，完成了塔架结构的高比刚度设计。制作了塔架缩比模型，分别进行了静态和动态实验，初步验证了仿生效果。结合仿真分析，制造了真实尺寸塔架并完成了加载实验，与传统型塔架结构比，由于仿生结构材料的优化分布，在同样的载荷条件下，仿生型结构的比强度和比刚度结构效能都得到提高。轻量化是设计目标，结构仿生设计是手段和方法。轻质高效的生物结构是人类技术改进的灵感源泉，特别是生物优异的结构效能对机械结构的轻量化设计有借鉴意义。仿生学的思想，将为我们提供新颖的、行之有效的启示。结构仿生设计将成为改变传统设计方法、提高材料利用率和增加轻量化效果的最有效途径之一。