● 摘要
随着工程技术领域对机械结构性能要求的不断提高，工程设计人员总是希望设计出具有较高强度和刚度，同时质量轻巧的结构。航天领域中对结构轻量化及其可靠性的要求尤为突出。生物体结构是亿万年自然选择和生命进化的结果，具有良好的承力性能。而结构仿生的目标就是在对生物体结构研究的基础上，设计出与生物体结构类似且同样具有良好力学性能的工程结构。本文在研究结构仿生理论的基础上，对某航天器上的支架零件进行了结构仿生设计，并对比验证了原型支架和仿生型支架的力学性能。在对支架结构进行仿生设计之前，制定了本次结构仿生设计的基本流程；从生物体结构功能的角度分类总结了典型生物体结构的构型特征；介绍了用于仿生对象选择的数学方法：模糊综合评价法。根据植物叶片叶脉及蜘蛛网的结构特点，对支架上端面的加强筋进行了仿生设计。根据植物根系及竹材微观结构特点，对支架中心支撑体进行了结构仿生设计。设计完成后得到了支架的四种仿生型结构。使用ANSYS Workbench软件对原型支架和仿生型支架进行了有限元分析。结果表明，与原型支架相比，四种仿生型支架的重量、变形及应力都有不同程度的减小，比强度结构效能、比刚度结构效能以及综合结构效能都有较大的提高。采用数控铣削的方法制作了原型支架和仿生Ⅲ型支架的实验模型，并对其进行了静力学加载实验。实验结果表明，与原型支架相比，仿生型支架具有更好的力学性能，进一步验证了仿生设计的有效性。