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仿生技术在机电产品设计的应用

2020-08-31 09:30 来源:机电工程论文 人参与在线咨询

0引言

在日常的生活和生产过程中,都离不开机电产品,与此同时随着社会发展的日新月异,市场需求的不断变化,机电生产设计行业得到了迅猛发展,但是同时机电产品生产所面临着的挑战增加,机电产品需要具有更高智能化、柔性化和个性化才行。传统的机电产品在性能、结构和特点上无法满足人们的这一需求,对此实现机电产品设计理念的优化创新,导入新的技术手段至关重要。

1仿生技术与机电产品设计分析

1.1仿生技术

仿生学是近年来发展起来的新的学科,是工程技术同生物科学相结合的交叉学科,仿生形态是常见的机能形态,其根据大自然中动植物的特点,对于常见的产品结构功能要素进行重新模拟和设计。这种对产品设计与制造必不可少的语言形态下所生产出来的产品就是仿生技术。利用仿生技术展开产品的生产设计其需要遵照两个方面的原则。第一,要求仿生技术要能够把握住事物的正确的规律和本质方法、方式。如,汽车设计中采用同鸟儿近似的外观,就是参考模仿鸟的外形所具有的减少空气阻力的功能作用;第二,要求仿生设计人员具有丰富的生活实践经验,能够从大自然中挖掘到各种创新的设计理念。如,在老鹰能够从高空中毫无障碍的看到地面上移动的小动物,这一生理特点可以应用到摄影摄像领域产品设计中。

1.2新时期下机电产品设计的特点

机电产品是指使用机械、电器、电子设备所生产的各类农具机械、电器等生产设备和生活用机具。机电产品作为工业社会中不可或缺的元件,随着人类社会的发展,机电产品设计生产上面临着资源、环境、创新这三座大山,当前只有促进机电产品设计理念实现转型升级,寻求更加科学的设计理念和设计策略,才能够更好地发挥机电产品社会应用价值。才能够确保机电产品设计技术成为人类共同的价值取向,对此新的形势下,要求机电产品设计要具有更加丰富的性能。第一,机电产品的形式设计要求具有较高性价比。市场经济体制下,机电产品设计不仅仅需要拥有较高的创新性,其还需要在满足技术条件的同时拥有较高的经济效益。第二,机电产品的形象设计要求具有创新性。随着机电产品设计行业的迅猛发展,行业内竞争越发激烈,只有提供创新性的产品设计概念,主张形成不同的产品形象和产品特征,才能够确保产机电产品市场形成积极的竞争关系,为机电产品设计发展提供动力。第三,机电产品的需求层面要求实现多元化驱动发展。传统的机电产品需求层次的产品设计主要是资源能源驱动,当前需要能够导入技术驱动、设计驱动等新的设计理念,不断地推出新的产品,满足用户的需求。第四,机电产品的体验层面要求实现人性化发展。机电产品是应用于各种机械、电子电器设备中的元件零件产品。随着人本理念的发展,当今要求机电产品能够给予消费者、使用者更多的人性化的体验。如,在汽车的机电产品设计中,需要能够符合互动参与性的特点,通过机电产品来提升整个汽车设计的人性化,柔性化等特点,提高汽车的市场消费能力。总之,机电产品设计作为一个系统性的行业,按照机电产品的结构特点可以分为整体和局部两个部分,因此仿生技术在机电产品设计中的应用也可以分为微观应用和宏观应用。

2仿生技术在机电产品设计中的应用

2.1微观仿生技术在机电产品设计中的应用分析

微观仿生主要是指通过借鉴动植物的微观结构形态展开机电产品设计活动。第一,功能机理的仿生设计。功能机理是指自然界中的动植物体所具有的独特的功能机理。当前对于自然界中的动植物特有的功能的挖掘,基于现有的设计技术和设计理念,实现机电产品的仿生设计。例如变色龙所具有的变色的功能特点,对于当代机电产品设计具有巨大的参考价值,设计中可以导入变色龙所具有的变色的功能特点,由此设计出能够根据周边环境温度变化而变化的机电产品,由此大大提升机电产品的使用范围。如,将动植物随着环境变化而变化的性能应用到机电产品中,有的机电产品在环境温度异常的情况下,可以实现变色,从而起到故障排查的效果。第二,材料的仿生设计。材料是机电产品设计的基础所在,机电产品的各种性能都是基于相应的材料所实现的。随着机电产品行业的发展,当前要求应用具有强度高、韧性好和实用性强的新型材料,由此提高机电产品的性能作用。对此可以借助仿生设计理念,从动植物身上挖掘到新型的材料。例如,荷叶上的水不会进入到荷叶的肌理中,这是因为荷叶具有疏水性。而科研人员经过科学分析,发现荷叶之所以拥有疏水性能,是因为荷叶表面上具有纳米结构。根据纳米结构这一仿生形态特点,材料科学家们由此开发设计出新型的纳米疏水材料,广泛地应用到机电产品生产设计中。另外,仿生技术还为新型材料理念产生、生产提供创新源泉。在上世纪末所出现的一些合型智能材料,通常都是由两种或是两种以上的材料按照一定的工艺技术合成的。而这些复合材料的理念、材料的结构性能以及各种机械物理性能都是基于仿生设计理念所展开的。例如,具有高比刚度、比强度的多孔金属材料就是从动物骨骼结构中仿生设计出来的。可以说,正是仿生技术的应用,才使得机电产品设计所采用的材料的性能越来越丰富,从而才能够设计出更加美观、耐用、性价比较高的机电产品。第三,柔性形态的仿生设计。动植物具有柔性化的特点,其能够对自然环境发挥其自我调节的作用,从而感知、决策、指令和反馈自身的功能器官结构,使得自身更好地在生态系统中生存。这是一种柔性生物特征。机电产品设计的根本目标也是为人类的生产生活提供更加柔性化、智能化的帮助。因此提升机电产品设计的柔性仿生设计具有可行性。例如,根据土壤动物柔性非光滑体表的防粘性特性提供仿生信息,从而设计出能够广泛应用于粘湿物料的挖掘、生产和运输环节中的机电产品,提高机电产品的生产效率。还可以将这一减粘脱附柔性化特点应用到机械制造加工中,基于此来研究数控机床切削加工的曲面粘附问题。

2.2宏观仿生技术在机电产品设计中的应用分析

宏观仿生技术主要是指对于自然的动植物的外形、外在结构形态等的仿生学应用。对于机电产品设计而言,优良的外形结构能够提高机电产品的加工制造工艺效率,提高对原材料的节约应用。第一,宏观外形结构的仿生设计。自然届中的动植物所具有的独特的外部结构,是动植物经过进化所形成的成熟的生存特点。当前在机电产品设计中应用仿生技术展开外形结构的设计,不仅仅可以达到吸引外界注意力的效果,推动机电产品的市场需求发展,其更可以优化机电产品的性能作用。最经典的外形结构的仿生设计理念应用就是对于蜜蜂蜂巢结构的应用。例如,蜜蜂蜂巢所具有的六边形结构,强度较高,质量较强、稳定性较强,在汽车的车轮设计中,正是借助这种六边形的结构特点,设计出质量轻、强度高、防御性强和减震能力好的轮胎。例如,汽车鱼型车的设计,该设计正是通过仿生鱼在高速游行中较低水涡流产生的外形特点,通过改善传统船型车子外部形状,从而减少汽车高速运行中的空气涡流的产生,提高汽车的运行速度。还有借助啄木鸟头部结构中所具有的外形抗震性强的特点,设计出新型的头盔产品。第二,形态概念的仿生设计。自然中的生物体的形态呈现出各异发展,蝴蝶需要历经虫子形态、茧形态等。生物不同的生物形态特点,在机电产品设计中也具有仿生设计的应用价值。当前可以将生物形态的仿生设计应用分为具象的表现形式和抽象的表现形式两种。前者主要是将生物的形态“写实”地应用到机电产品设计领域中。例如,在汽车外形结构设计中,1933年德国所称生产出来的甲壳虫汽车,充分地发挥甲壳虫外形的特点,将甲壳虫外形所具有的动态、精致等特点应用到汽车设计中,从而使的甲壳虫汽车成为汽车造型中的经典之作。而后者抽象形态的仿生设计,主要实现形态仿生的神似设计,在这一过程中,通过整合其他的设计理念,不断地调整机电产品的形态、性能等,做到产品的形神俱备设计。

3结束语

综上所述,自然社会中所拥有的生物自有自己的一套功能形态和结构特点,其所拥有的奇妙结构让设计者受益匪浅。对于机电产品制造加工行业而言,在节能减排理念下,更要求能够从设计领域入手,提高机电产品设计的结构优良性、绿色环保性,对此设计人员要能够从仿生学入手,借助仿生技术展开对机电产品设计活动的创新,推动机电产品设计进入到新的阶段。现如今仿生技术在设计行业中具有广泛的应用空间,对于机电产品而言,仿生技术实现对机电产品的微观功能、材料等方面的应用,实现机电产品设计的优良性的同时,仿生技术还在机电产品的结构外形方面实现优化应用,改变机电产品的外部特点。在未来的发现中,还要求能够不断地借助仿生学形态语言,不断地从自然界中汲取创新创意点,实现对机电产品的优化升级设计。

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作者:傅彩虹 单位:江苏省无锡交通高等职业技术学校

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