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前言：

本文以銑車復合加工中心立柱為研究對象，從結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計原理出發(fā)，以提取空莖植物的構(gòu)型特性為依據(jù)，以立柱工作載荷計算結(jié)果為條件，并以加工中心立柱達到高比剛度效能為目的，對銑車復合加工中心立柱的內(nèi)部進行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，并對優(yōu)化后立柱結(jié)構(gòu)進行靜力和模態(tài)仿真分析，為加工中心支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。

1立柱結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

動物的骨骼、植物的枝條根莖等“生物支架”，充分體現(xiàn)了自然進化的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以最少的材料承受最大的載荷，從而獲得結(jié)構(gòu)效能最大值^M。空莖植物具有最優(yōu)的力學性能,其結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：硬質(zhì)材料
集中在外面，中間為松軟狀物質(zhì)，同時表層組織的彈性模量大于沿縱向周向而又遠大于內(nèi)部組織，而彈性模量對于結(jié)構(gòu)的高比剛度效能起到關(guān)鍵性作用。

在結(jié)構(gòu)方面，立柱與中空植物莖桿十分相似，都存在連續(xù)和離散結(jié)構(gòu)的布局；在功能方面，除去生物機理外，立柱與莖桿都是在整個生物體中作為支承件，承受其他部件和載荷引起的壓力和彎矩，相似于植物葉片對葉柄施加壓力和彎矩，因此，生物體的輕質(zhì)空心結(jié)構(gòu)是高比剛度效能設(shè)計的首選原型^{^[1]} ,從生物結(jié)構(gòu)仿生思想出發(fā),在分析植物莖桿結(jié)構(gòu)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以不改變銑車復合加工中心立柱現(xiàn)有整體功能結(jié)構(gòu)為前提，根據(jù)葉柄截面的生物組織形式，對立柱隔板筋板進行仿生演進設(shè)計。

1.1仿生設(shè)計過程

結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計主要分為以下3個步驟：

(1) 生物結(jié)構(gòu)原則分析。根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的功能要求，進行相似性分析，總結(jié)相對應(yīng)生物體構(gòu)型原則。

(2) 仿生設(shè)計應(yīng)用。將所述生物體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型原則應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)改進。

(3) 優(yōu)化模型確定。將仿生型與原型結(jié)構(gòu)進行對比,確定最優(yōu)仿生型結(jié)構(gòu)并總結(jié)規(guī)律。

1.2生物體構(gòu)型分析以及應(yīng)用

(1) 主受壓區(qū)域：因為葉柄在主受壓區(qū)域增加材料密度和尺寸，所以在立柱的主受壓區(qū)，以提高抗彎性能為目的，抵抗導軌受力引起的彎曲變形，適當增加向心狀仿生隔板，提高抗彎性能。

(2) 主受拉區(qū)域:立柱左右外側(cè)面受拉明顯，結(jié)合鑄造工藝和結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)型比擬的基本原則，側(cè)面筋板采用輻射狀“太陽筋”改進結(jié)構(gòu)可以有效提高整體剛度。結(jié)合芭蕉葉柄內(nèi)部結(jié)構(gòu)對立柱內(nèi)部做仿生設(shè)計,確定在墻體式封閉型對稱框架結(jié)構(gòu)的立柱內(nèi)部增加放射狀封閉截面隔板，最后在結(jié)合立柱工作載荷分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)高比剛度及輕量化要求出發(fā),立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如圖1和圖2所示。

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結(jié)束語：

本文在分析銑車復合加工中心立柱工作載荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)空莖植物的力學與結(jié)構(gòu)特點，以立柱的高比剛度效能為目的對其結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，結(jié)果表明，仿生型立柱的比剛度效能提高14. 3 %，—階固有頻率提高1.3%,質(zhì)量減輕5.7% ,加工誤差敏感方向的方向變形減小了 2. 29K達到了較為滿意結(jié)果，為高速加工中心結(jié)構(gòu)件設(shè)計提供了新的思路。

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