● 摘要
面对复杂多样、千差万别的工程结构，越来越多的要求工程师设计出既具有高的强度和刚度，又轻质节省的结构。而生物体的结构是亿万年自然选择和生命进化的结果，具有优良的承力特性。结构仿生理论就是通过研究生物体的宏观、微观特性，发现其优良结构的学科。本文通过运用结构仿生理论，对一些典型承力结构件进行了高比强度和比刚度的仿生设计，主要包括以下内容：1. 总结了生物体构型规律和典型的生物体结构特征即多孔结构、纤维复合结构、分层结构和功能梯度结构，理解生物体的构型规律，有助于对结构仿生中仿生对象进行选择。 2. 总结了结构仿生的理论基础，即仿生耦合理论、结构优化理论、相似理论和类比推理、进化理论等，很好的应用这些理论可以为结构仿生的研究提供了理论支持。提出了结构仿生的两种方法，即结构仿生优化设计法和相似分析结构仿生法，可以针对生物体结构类型和机械结构特征，灵活的应用这两种方法。 3. 通过三点弯曲实验发现竹材的弹性模量从竹黄到竹青是呈现幂函数的梯度分布，从弹性力学平面应变问题的基本方程出发，将竹段假设成为一个圆柱壳结构，杨氏模量在圆柱壳径向上呈幂函数的梯度分布，引入应力函数，采用分离变量的方法求解微分方程，推导出了在风载荷下，竹壳结构应力和变形的数值解。4. 通过分析竹子结构的特征，设计了一个柱壳舱体，并且与传统的舱体结构用有限元工具进行对照，结果表明，仿生舱体的承载能力增加了一倍以上，原型结构的屈曲模态为局部屈曲，仿生结构的屈曲模态为整体屈曲。5. 通过分析王莲叶脉和蜻蜓膜翅与飞机机身加强框的功能相似性，提取决定两种生物结构优良力学性能的结构特征，将其应用到飞机机身加强框的设计当中，并用有限元工具验证了结构的优化效果。在同样的承载条件下，仿生型结构的比刚度效能比原型结构提高了18-20%，比强度效能提高了20%左右。同时，仿生型结构的最大应力减小，而最小应力明显增大，因此仿生结构的应力分布更加均匀，从而体现了仿生结构件材料的优化分布和最大效能。6. 传统结构和生物体结构的弹性模量分布规律是不同的，根据生物体结构单元的弹性模量随着外载荷呈现功能梯度分布的特点，设计了仿生拓扑优化算法，并对一个短悬臂梁和一个机身加强框做了以提高结构的比强度效能为目标的设计。分析表明：用结构仿生方法优化的结构比强度比SIMP优化的结构的比强度高。7. 以缩比理论为基础，对两种机身加强框进行尺寸和载荷的计算，并在数控铣床上对工件进行了加工，然后分别做了静态和动态实验。所有的有关结构变形实验数据与仿真数据接近，证明了实验的可靠性；所有的有关结构应力的实验数据与仿真数据偏差较大，究其原因，结构的最大应力处不便于贴应变片，测量的值不是最大应力值，但是实验数据是具有可比较性的。两种结构的振型拟合结果和有限元分析中的结果几乎是一样的，一方面证明了实验的可靠性，另一方面证明了仿生的效果。