王波，彭金松

（河池學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，廣西 宜州 546300）

在工程建設(shè)中，起重機發(fā)揮了重要作用，是工程有序開展的技術(shù)保障。隨著國家提出綠色生態(tài)建設(shè)及節(jié)能降的要求后，如何減少起重機在工作中的能耗成為科研人員的研究課題。起重機箱梁結(jié)構(gòu)是工作中能耗極大的部分，占據(jù)起重機工作能耗的大部分，減少箱梁部分的工作能耗是實現(xiàn)綠色建設(shè)的新途徑。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，減輕起重機箱梁結(jié)構(gòu)的重量，間接實現(xiàn)減少起重機箱梁結(jié)構(gòu)運行時遇到的阻力是實現(xiàn)去能耗的關(guān)鍵。為此，尋找箱梁橫向肋的替代材料，既能保障起重機的運行，又能減少重量，是科研人員的工作重點。為此，科研人員采取了多種設(shè)計思路，例如采用合金鋼或新型金屬材料，并未取得較好的成果。如能尋找新型材料，既能滿足箱梁承重能力，又能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的下降，將大大促進能耗的下降。經(jīng)過科研觀察和實驗，竹子成為實驗人員的試點材料。首先，竹子自身具備極好的輕量化結(jié)構(gòu)，重量遠低于金屬材料；其次，竹子具有金屬箱梁所需的剛性和韌性，竹子即具備加勁肋作用，同時也具備了較好的纖維組織的韌性，在工作中避免軸向裂紋擴展；最后，竹子具備極好的仿生學(xué)設(shè)計研究條件，其莖稈界面作為圓柱體，具有較大的創(chuàng)造空間和排列方式，根據(jù)研究結(jié)果表明，運用竹子仿生結(jié)構(gòu)可以降低能耗的同時提升效能。本文為促進降能耗的作用，以竹子為研究對象，研究莖稈結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時為竹子正軌箱梁的仿生布置進行設(shè)計，從而實現(xiàn)研究目的。

1 竹子替代箱梁橫助肋的可行性分析

仿生指以一種相似材料代替另一種材料，從而實現(xiàn)降能耗的目的。竹子為何能替代金屬橫向肋，成為箱梁承重的重要組成部分，原因在于竹子自身結(jié)構(gòu)不同于其他植物，其莖稈為空心生長，因此自重較小，而竹子纖維又具備極強的剛性和韌性，因此竹子具有明顯高于其他植物的抗彎力和抗折力。正軌箱梁的設(shè)計與竹子結(jié)構(gòu)極為相似，均是空心設(shè)計且要求較高的抗彎力和承受扭矩的作用。因此竹子結(jié)構(gòu)與正軌箱梁具有明顯的相似性，可以將竹子運用在正規(guī)箱梁的橫向肋上。

2 竹子替代其他材料的可行性分析

為了更好地展現(xiàn)竹子應(yīng)用到正軌箱梁的可操作性，將研究不同節(jié)數(shù)的承重能力和抗壓能力。本文通過四組數(shù)據(jù)進行分析和對比。首先，將選用的竹子每節(jié)進行標記，制作對比參數(shù)，自底部開始，每節(jié)依次記為1、2、3...k...，通過科學(xué)的計算得出圖1，圖1所展示的是竹子莖稈每節(jié)徑壁的分布狀況，通過圖1可以發(fā)現(xiàn)不同節(jié)數(shù)的莖稈壁厚呈現(xiàn)不同的分布，由于竹子呈垂直生長趨勢，因此底部承受壓力更大，因此莖桿壁相對上部要厚。其次，竹子的節(jié)間距呈現(xiàn)兩頭節(jié)間距小而中間節(jié)間距大的分布特點，莖稈節(jié)間距分布規(guī)律。最后，將節(jié)間距進行圖像模擬化就得到近似圓錐的變截面圓錐殼結(jié)構(gòu)，本文通過圖2進行展示。

通過研究發(fā)現(xiàn)，竹子的穩(wěn)定性和抗壓力均與截面有關(guān)，截面直徑的平方將直接影響以上信息，但是需要說明的是經(jīng)過大量實驗研究，不同的直徑截面的節(jié)間距不影響竹子的穩(wěn)定性和抗壓力。為此，本文研究采用等效直徑節(jié)間距的概念，根據(jù)研究得出等效節(jié)間距的發(fā)展呈現(xiàn)由底部向頂部逐漸增大的趨勢。

3 正軌箱梁橫梁竹子結(jié)構(gòu)仿生學(xué)設(shè)計實例

圖1 竹子莖桿壁分布狀況

圖2 節(jié)間距變截面模型

從正軌箱梁的應(yīng)用實例出發(fā)，充分分析竹子應(yīng)用到箱梁加勁肋的可能性和實用性，本文從實例出發(fā)，分析箱梁結(jié)構(gòu)的原型與竹子仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的受力是否相同。

3.1 箱梁原型與竹子仿生學(xué)的受力特性分析

以偏差率2%作為箱梁結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)箱梁結(jié)構(gòu)受力性能進行對比分析。傳統(tǒng)箱梁加勁肋數(shù)目為15道，加勁肋間距大致相等，分布在0.445～0.530m之間。加勁肋間距分布在0.55～1.10m之間，第7、8、9和10道加勁肋間距分別為1.10、1.10、1.10和0.90m。一方面仿生箱梁通過降低焊縫數(shù)目，減小了制造中的焊接變形，提高了箱梁結(jié)構(gòu)壽命；另一方面也減少了加勁肋鋼材用量，在一定程度上降低了起重機箱梁結(jié)構(gòu)自重。選取跨中和端部極限位置進行移動載荷加載，移動載荷分布范圍為0.0～0.5m。箱梁跨中優(yōu)化前最大強度和剛度分布范圍分別為40.8～42.4MPa、0.0054～0.0056m；箱梁跨中優(yōu)化后最大強度和剛度分布范圍分別為40.5～43.0MPa、0.0051～0.0057m。箱梁端部優(yōu)化前最大強度和剛度分布范圍分別為14.8～24.5MPa、0.0010～0.0011m；箱梁端部優(yōu)化后最大強度和剛度分布范圍分別為25.4～28.8MPa、0.0090～0.0012m。由于橫向肋變間距設(shè)計對結(jié)構(gòu)強度、剛度設(shè)計指標影響較小，能夠滿足起重機工作要求。

3.2 竹子仿生過程淺析

根據(jù)上文分析，竹子竹節(jié)分布有其特點，因此為保證仿生結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在對箱內(nèi)橫肋進行設(shè)計時，需要注意以下幾點內(nèi)容：首先，橫向肋在設(shè)計時要保證兩個橫向肋所覆蓋的區(qū)域僅僅承受一個輪胎壓力，同時兩個橫向肋的距離如果超過車基距的2/3，則需要加入短強筋。其次，正規(guī)箱梁的主梁往往以對稱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，因此在選擇橫向肋間距時，要注意橫向肋間間距的等同性。最后，本次設(shè)計結(jié)構(gòu)采用橫向肋數(shù)目為2，則在進行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計時，仿生橫向肋采取間次排列，隨著橫向肋數(shù)目的增加，橫向肋承受的壓力越大，則穩(wěn)定性受到的考驗越重。本次采用的橫向肋數(shù)目為6根，可以很好的兼顧穩(wěn)定性，保證仿生結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文在研究中將竹子不同節(jié)數(shù)進行研究，針對不同節(jié)數(shù)體現(xiàn)不同強度和剛度，尋找竹子的最優(yōu)部分。通過比對箱梁所需的剛度和強度，與竹子仿生設(shè)計進行比對，論證竹子仿生學(xué)是否能承擔(dān)起重機箱梁結(jié)構(gòu)的需求。本文通過具體論述，明確運用竹子作為正軌箱梁的橫肋可以實現(xiàn)起重機工作中輕量化的需求，實現(xiàn)降低能耗的目的。運用竹子作為正軌箱梁的橫肋，剛度設(shè)計的影響較小而結(jié)構(gòu)強度又可以達到需求。為此，竹子仿生學(xué)設(shè)計可以很好的應(yīng)用到起重機的橫肋設(shè)計。

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