题目：基于结构仿生的机床运动构件高比刚度设计

自然界中轻质高效的生物体结构是人类技术改进的灵感源泉，特别是生物最优的结构比刚度效能对机械结构的轻量化设计有借鉴意义。本文基于结构仿生理论及方法，进行了高速机床典型运动结构件的仿生设计及其性能验证。主要内容包括：分析了生物体的构型规律，有助于结构仿生的选型及应用。特别是对于高比刚度、高比强度的承力结构来说，其轻质、精巧的结构性能取决于微观——细观——宏观三个层面的组织分布，及其所现出的疏松多孔、梯度分布、螺旋分层、矩阵分支等规律，对仿生应用具有借鉴意义。同时证明了生物材料在构型过程中遵循一定的力学准则，表明了生物体结构所蕴含的优化思想。总结了结构仿生的理论基础，为结构仿生的研究提供了技术上的支持。基于若干仿生范例，制定了结构仿生设计的基本步骤。同时针对本课题的研究内容，确定了高速机床结构件轻量化设计的研究方法及生物原型的选型型谱，制定了结构选型的三条准则。选型型谱及准则的建立能使仿生设计科学化、规范化和系统化，推动结构仿生设计成为科学的工程方法。根据植物的空心茎秆、夹层节点结构及径向根等特点，对高速机床工作台底面的筋板进行了仿生设计，并利用Ansys的APDL程序进行了结构参数的优化。结果表明了仿生型比刚度效能的提高。筋板设计应根据载荷分布进行调整，同时在变形的梯度方向上设置对角筋，并与环形筋相结合，能实现结构的最优化布置及一定的轻量化效果。根据王莲叶脉、叶片叶脉及仙人掌骨骼的分布规律，进行了龙门加工中心运动横梁内部筋板的仿生设计。仿生结构的动静态性能有所提高。可见，传统平行均布筋不能充分实现结构最大刚度，且单纯依靠增加筋板数量不一定能提高横梁的静动态性能；筋板应沿支撑区到最大变形区的梯度方向布置；同时调整支撑部位和非主受力区域的筋板密度，以体现生物结构的材料最优分布和负载的最有效传递。根据茎秆夹层、竹子节点、受弯叶柄及受压的骨组织分布等规律，进行了高速机床运动立柱内筋板的仿生设计。仿生立柱的比刚度、抗振性、瞬态性能等均优于原型，表现出更好的承力性能。结果表明，应根据载荷传递方向、区域分布进行筋板密度调整，仿生结构能够提高结构的抗压及抗弯性能。分析了模型试验所涉及的理论基础，并对缩比模型各参数进行了量纲分析，根据加工方式确定了立柱、横梁缩比模型的比尺。采用SLS选择性激光烧结的方法制作了立柱的缩比模型，材料为ABS工程塑料。并基于快速成型的方法制作了横梁模型的蜡模，采用精密铸造成型，材料为ZL101，进行了静力学加载和模态振型试验。结果表明精密铸造的横梁模型其试验与仿真分析的结果相一致，也证明了利用快速原型的加工方式进行试验验证是可靠而高效的。此外，由于ABS材料及模型加工缺陷在一定程度上影响了立柱模态测试的结果，而静力学加载试验与仿真结果一致。因此，精密铸造的可靠度及准确性均高于快速原型，但加工成本有所增高。因此，利用生物体结构的构型规律进行传统机械结构的改进是改变传统设计思路的一种创新性途径，高速机床工作部件中筋板结构的设计可以遵循此方法进行，以获得高比刚度结构效能，在高性能高速机床结构件的轻量化设计中具有重要的应用前景。而快速原型、精密铸造等加工方式为仿生设计的验证提供了有效的技术支持。