本發(fā)明涉及一種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種基于耦元基雜交集成的機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

生物經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的自然選擇和進(jìn)化過(guò)程，具有很多生物優(yōu)勢(shì)性能與輕質(zhì)高效的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了大量的仿生原型?！稒C(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告(2011-2020)》提出仿生設(shè)計(jì)與制造科學(xué)將成為21世紀(jì)科學(xué)研究前沿之一。

在機(jī)械工程領(lǐng)域，仿生設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用，進(jìn)而形成了機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械承載件的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了眾多研究，例如基于蜻蜓翅膀?qū)︼w機(jī)加強(qiáng)框進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)、基于人體脊椎骨對(duì)機(jī)床立柱進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)、基于葉脈分支結(jié)構(gòu)對(duì)飛機(jī)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)等等。

盡管機(jī)械承載件的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究成果較為豐富，然而現(xiàn)有承載件的仿生設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)較單一化，僅能再實(shí)現(xiàn)某一特定生物原型的優(yōu)勢(shì)性能，缺少機(jī)械承載件多目標(biāo)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法，以機(jī)床為例，其對(duì)機(jī)床立柱、滑枕等承載件的仿生設(shè)計(jì)，多關(guān)注降低其質(zhì)量提高承載向剛度性能(抗壓剛度)，而忽略了對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向的剛度性能(抗彎剛度)要求等。生物經(jīng)過(guò)優(yōu)勝劣汰與自然選擇，為機(jī)械承載件的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了眾多的仿生原型生物優(yōu)勢(shì)性能，如何通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械承載件多目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，尚待進(jìn)一步探索。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種基于耦元基雜交集成的機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生設(shè)計(jì)方法，通過(guò)生物多優(yōu)勢(shì)性能雜交互補(bǔ)集成，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于耦元基雜交集成的機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1，對(duì)機(jī)械承載件的多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題的相似性與矛盾性進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果選取相互矛盾的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行沖突組合，形成多組沖突單元；

步驟2，針對(duì)任一沖突單元，通過(guò)結(jié)構(gòu)仿生選取能夠解決其沖突的生物原型，提取其生物耦元特征基；

步驟3，對(duì)提取的所有生物耦元特征基進(jìn)行重組集成，得到新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基；

步驟4，基于新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基，對(duì)機(jī)械承載件進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

上述步驟1中，多組沖突單元中，任一沖突單元包括至少兩個(gè)相互矛盾的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

具體的，步驟2中，針對(duì)任一沖突單元，根據(jù)機(jī)械承載件的外觀形狀和設(shè)計(jì)要求，選取能夠同時(shí)解決該沖突單元中全部設(shè)計(jì)問(wèn)題的生物原型，提取其生物耦元特征基。

上述步驟3中，對(duì)生物耦元特征基進(jìn)行重組集成的過(guò)程包括：以其中一個(gè)生物耦元特征基為載體耦元基，其他生物耦元特征基均為目標(biāo)耦元基，通過(guò)技術(shù)集成將目標(biāo)耦元基集成到該載體耦元基上。

進(jìn)一步的，技術(shù)集成的方式為分割、替換、變異、組合中的一種或幾種。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過(guò)將設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行沖突組合，分別對(duì)每一對(duì)沖突單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生，獲取生物耦元特征基，并通過(guò)對(duì)生物耦元特征基進(jìn)行重組集成形成多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基，基于該多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，該方法能夠?qū)⒍喾N仿生原型的優(yōu)勢(shì)性能互補(bǔ)，設(shè)計(jì)出具有多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題的機(jī)械承載件；有效解決了現(xiàn)有機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中存在的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)較單一化、僅能實(shí)現(xiàn)某一特定生物原型優(yōu)勢(shì)性能的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于耦元基雜交集成的機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生設(shè)計(jì)方法的流程圖；

圖2為實(shí)施例中某機(jī)床立柱的原始設(shè)計(jì)三維模型；

圖3為實(shí)施例中生物耦元特征基集成示意圖；

圖4為基于新的優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基對(duì)機(jī)床立柱的仿生設(shè)計(jì)三維模型；

圖5為仿生設(shè)計(jì)立柱總變形云圖；

圖6為仿生設(shè)計(jì)立柱彎曲變形云圖；

圖7為仿生設(shè)計(jì)立柱垂向變形云圖；

圖8為原始立柱總變形云圖；

圖9為原始立柱彎曲變形云圖；

圖10為原始立柱垂向變形云圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1，本發(fā)明基于耦元基雜交集成的機(jī)械承載件多目標(biāo)仿生設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1，對(duì)機(jī)械承載件的多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題的相似性與矛盾性進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果選取相互矛盾的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行沖突組合，形成多組沖突單元；

步驟2，針對(duì)任一沖突單元，通過(guò)結(jié)構(gòu)仿生選取能夠解決其沖突的生物原型，提取其生物耦元特征基；

步驟3，對(duì)提取的所有生物耦元特征基進(jìn)行重組集成，得到新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基；

步驟4，基于新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基，對(duì)機(jī)械承載件進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過(guò)該方法能夠?qū)⒍喾N仿生原型的優(yōu)勢(shì)性能互補(bǔ)，設(shè)計(jì)出具有多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題的機(jī)械承載件；有效解決了現(xiàn)有機(jī)械承載件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中存在的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)較單一化、僅能實(shí)現(xiàn)某一特定生物原型優(yōu)勢(shì)性能的問(wèn)題。

以某數(shù)控機(jī)床立柱為機(jī)械承載件仿生設(shè)計(jì)對(duì)象，以降低該機(jī)床立柱的質(zhì)量、提高其承載向剛度(抗壓剛度)及運(yùn)動(dòng)向剛度(抗彎剛度)為綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，該機(jī)床立柱的原始設(shè)計(jì)三維模型如圖2，立柱在整體機(jī)床中的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閳D2坐標(biāo)系的x方向。以下根據(jù)圖1的方法流程圖，對(duì)該機(jī)床立柱進(jìn)行多目標(biāo)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

步驟一：針對(duì)多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)其設(shè)計(jì)問(wèn)題的相似性與矛盾性進(jìn)行分析，基于相似性分析和沖突分析，對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行沖突組合，本例中提高立柱的抗彎剛度和抗彎剛度具有相似性，均屬于對(duì)結(jié)構(gòu)件的剛度要求，而提高結(jié)構(gòu)件剛度和降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量具有一定的矛盾性，因此本例中，以降低立柱質(zhì)量提高其承載向剛度(抗壓剛度)作為沖突單元一，以降低立柱質(zhì)量提高運(yùn)動(dòng)向剛度(抗彎剛度)作為沖突單元二。

步驟二：通過(guò)仿生原型選取，解決機(jī)床立柱多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題沖突，進(jìn)一步確定其優(yōu)勢(shì)性能耦元基集合。

如圖3，針對(duì)沖突單元一，結(jié)合所研究立柱的外觀形狀與設(shè)計(jì)要求，選取方形竹為仿生原型一，方形竹的橫截面外輪廓與所研究立柱相似，均為四邊形，提取方形竹的橫截面結(jié)構(gòu)31作為第一個(gè)生物耦元特征基，該耦元特征基使得方形竹具有輕質(zhì)高效的承載性能。

針對(duì)沖突單元二，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取仿生原型，該仿生原型應(yīng)該具有輕質(zhì)高效的抗彎性能，最終選取楊樹(shù)葉為仿生原型二，其葉脈使得整個(gè)葉片具有輕質(zhì)高效的抗彎性能，提取楊樹(shù)葉葉脈結(jié)構(gòu)32為第二個(gè)生物耦元特征基，葉片脈絡(luò)在整個(gè)葉片的延展面上為其提供了很好的抗彎剛度性能。

因此最終選取方形竹、楊樹(shù)葉為立柱多目標(biāo)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿生原型，并選取方形竹的橫截面結(jié)構(gòu)31和楊樹(shù)葉葉脈結(jié)構(gòu)32作為生物耦元特征基。

步驟三：對(duì)生物耦元特征基重組集成，得到新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基。在生物耦元特征基集成過(guò)程中，以一個(gè)生物耦元特征基為基礎(chǔ)，將另一個(gè)生物耦元特征基進(jìn)行互補(bǔ)集成，將前者定義為載體耦元基，后者定義為目標(biāo)耦元基。通過(guò)生物耦元特征基分割、替換、變異、組合等基本操作，對(duì)生物耦元特征基進(jìn)行技術(shù)集成，最終實(shí)現(xiàn)面向多優(yōu)勢(shì)性能互補(bǔ)集成的耦元基重組集成。本例中，如圖3，選取方形竹的橫截面結(jié)構(gòu)31為載體耦元基，楊樹(shù)葉葉脈結(jié)構(gòu)32為目標(biāo)耦元基，從空間三維角度出發(fā)，以方形竹橫截面結(jié)構(gòu)31作為集成耦元基的橫截面結(jié)構(gòu)，而以楊樹(shù)葉葉脈結(jié)構(gòu)32作為其縱向肋板結(jié)構(gòu)，通過(guò)生物耦元特征基的組合操作，得到新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基33。

步驟四：基于新的多優(yōu)勢(shì)性能集成耦元基33，對(duì)機(jī)床立柱進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于擬提高機(jī)床立柱的承載向剛度(抗壓剛度)和運(yùn)動(dòng)向剛度(x向抗彎剛度)，所以僅在立柱的運(yùn)動(dòng)向(x向)結(jié)構(gòu)側(cè)增加葉脈狀肋版結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床立柱的多目標(biāo)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4。

分別對(duì)立柱的仿生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型和原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析，如圖5～7，仿生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量5.85t，總體最大變形4.18×10^-2mm，最大彎曲變形3.69×10^-2mm，最大垂向變形1.68×10^-2mm；如圖8～10，在同樣的載荷作用下，原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量6.38t，總體最大變形4.61×10^-2mm，最大彎曲變形4.11×10^-2mm，最大垂向變形1.82×10^-2mm。相比原始結(jié)構(gòu)，仿生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在質(zhì)量降低了8.3％的同時(shí)，總體最大變形降低了9.3％，彎曲最大變形降低了10.2％，垂向最大變形降低了7.7％。