В статье рассмотрены примеры реализации подходов бионического проектирования отдельных деталей, машин и изделий машиностроительной области, направленные на решение конкретной эксплуатационной задачи, затрагивающей прочностные и изоляционные свойства конструкций. Бионическое проектирование можно рассматривать как обязательный компонент проектирования деталей, изготовление которых ведётся способами аддитивного производства. Согласно основному принципу бионического проектирования, улучшение эксплуатационных свойств осуществляется за счёт правильности распределения и упорядочивания материала.

О бионическом проектировании

Бионика — бесспорно наиболее актуальная и интересная отрасль сегодняшней науки. Она сочетает в себе высокую степень междисциплинарности задач, что обусловлено природными эталонами того, что человек хотел бы воссоздать [1, 2, 3]. Как правило, при рассмотрении областей применения в бионике помимо основного целевого (эксплуатационного) назначения получаемые объекты классифицируют по признакам-­действиям, которыми может быть достигнута поставленная цель.

К наиболее интересным технологическим решениям смело могут быть отнесены те решения, которые легки в восприятии и понятны. Прежде чем создать объект с подобным свой­ством, требуется рассмотреть совокупность условий его эксплуатации, добавить желаемые характеристики.

Именно так поступает природа, заполняя объектами живой и неживой природы наш мир. Человек наблюдает и пытается воссоздать объекты, созданные природой, с целью понимания их работы и возможностью управления ими. Так возникает новый подход в проектировании изделий, результат геометрии которого отличается от строгих прямых линий, имеет кривизну с переменным радиусом, уникальную градиентную внутреннюю структуру материала. Именно эти особенности легли в основу нового бионического, или биоподобного вида проектирования деталей машин и машиностроительных конструкций в XXI веке [4].

Примеры применения в машиностроении

Рассмотрим несколько примеров, различных по эксплуатационному назначению, целью которых является осуществление разделительных операций, плавного и бесшумного движения на скорости, снижение вибрационной нагрузки, повышение жёсткости конструкции, снижение уровня шума и энергопотребления благодаря снижению общего веса.

Инструмент для лезвийной обработки и разделительных операций

Мандибулы или жвалы грызущего ротового аппарата насекомых стали прототипами бионической конструкции зуба для пил (рис. 1). Кроме них примером стали кузнечики и саранча, которые непосредственно употребляют в пищу те самые растения, которые необходимо разделить. Подобные пилы применяют для разделения стеблей конопли, бамбука, тростника, кукурузы и других видов прочных материалов растительного происхождения. На рис. 2 показаны различные варианты исполнения зубьев пил. Согласно осреднённым показателям, применение бионической формы снижает силу реза (на ~7,4%) или снижает процент затрачиваемой энергии при пилении (на ~10%), в зависимости от разделяемого материала.

Рис. 1. Виды жуков-­усачей с грызущим типом ротового аппарата [5]
 

Рис. 2. Виды режущих поверхностей пил: для разделения стеблей конопли: исходный (а) и оптимизированный (б) варианты; для разделения стеблей кукурузы: исходный (в) и оптимизированный (г) варианты [6, 7, 8]

При обработке большого объёма, казалось бы, мягких материалов, таких как полимеры и эластомеры, производителям продукции приходится задумываться об износе рабочих деталей, находящихся непосредственно в контакте с измельчаемым материалом. Взяв за природный аналог строение резцов грызунов (рис. 3а), учёные обнаружили, что более мягкий материал, эмаль, находится на передней части зуба, а часть зуба, обращённая вовнутрь, состоит из более твёрдого материала — дентина.

Рис. 3. Исследование самозатачивающейся конструкции ножей: 
череп бобра (а: 1 — резцы, 2 — коренные зубы), рабочая часть мельницы с тремя ножами (б), вид самозатачивающейся поверхности под микроскопом (в), сравнение графиков износа материала ножей (г) [9, 10, 11, 12].
 

У грызунов, например у крысы, зубы растут на протяжении всей жизни, и в связи с неодинаковой прочностью материала зуба он стачивается неравномерно, образуя определённый угол при вершине. Именно эти два свой­ства: разнородность твёрдости материалов и угол заточки — стали ключевыми при создании ножей для мельниц (рис. 3б, в, г), работающих с полимерными материалами.

Транспорт

При движении на скоростях в ограниченном пространстве, а также на очень больших скоростях в свободных и ограниченных пространствах требуется создать такое аэродинамическое сопротивление, которое бы не приводило к возникновению опрокидывающих сил или не создавало резких перепадов давления, приводящих к возникновению дополнительных акустических эффектов типа хлопков. В 2005 году компанией Mercedes-­Benz было предложено решение аэродинамической оптимизации кузова на основе формы рыбы-чемодана (рис. 4а). Благодаря её форме и вопреки большой высоте тела рыба-чемодан может резко менять направление движения даже в ограниченных пространствах на скорости, оставаясь верной намеченной траектории движения. С применением специального алгоритма топологической оптимизации был разработан внутренний, силовой каркас кузова, а после создания прототипа и исследования аэродинамических свой­ств были получены положительные заключения об отсутствии турбулентных течений на заданных скоростях движения, вызывающих опрокидывающие моменты (рис. 4б, в, г).

Рис. 4. Бионический концепт дизельного автомобиля Mercedes А-класса: 
природный аналог — рыба-чемодан (а), кузов на основе результатов топологической оптимизации (б), внешний вид автомобиля с лицевыми панелями (в), испытания в гидродинамической трубе (г) [2, 13]
 

При вхождении в туннель на скорости свыше 300 км/ч японских скоростных поездов Shinkansen было отмечено резкое повышение акустического фона, что приводило к дискомфортному состоянию находившихся в поезде людей. Группа японских компаний–­разработчиков поездов определила основные задачи и увидела решение в форме клюва птиц семейства зимородковых, которые неслышно подлетают к добыче во время ловли рыбы. Именно удлинённый клюв стал решением возникшей задачи, позволившей существенно снизить уровень шума на въезде поезда в туннель (рис. 5). Следует отметить, что изготовление подобных обтекателей является кропотливой задачей, которую выполняют вручную, так как сам обтекатель состоит из небольших пластин с плавно изменяющейся кривизной, получаемых выколоткой, с последующим сбором всех пластин на мастер-­шаблоне, их сваркой друг с другом и постобработкой. Поиски по оптимальным технологиям изготовления продолжаются. Среди них стоит отметить инкрементальную листовую штамповку по схеме SPIF.

Рис. 5. Птица семейства зимородковых (а) и обтекатель скоростного японского поезда Shinkansen 500 (б) [14, 15]

Станкостроение

Основной проблемой формообразующих (прессы, автоматы) и обрабатывающих (станки с ЧПУ) машин является жёсткость конструкции, которая должна не только противостоять механическим нагрузкам, но и не создавать избыточные вибрации в процессе работы. Так, для пятикоординатных обрабатывающих центров, выполненных по компоновке «Верхний Гентри» с подвижной поперечной траверсой (поперечина) и жёсткими крепёжными плитами (рабочий стол), было предложено решение, основанное на структурах, встречающихся в природе: жилкование листов и строение стеблей растений (рис. 6). Для пятиосевого шлифовального станка при проектировании основной колонны к описанным выше аналогам был добавлен структурный аналог грудной клетки скелета человека (рис. 7).

Рис. 6. Пятикоординатный обрабатывающий центр (а), подвижная поперечина (б), рабочий стол (в), природный аналог — растение семейства кувшинковых — виктория амазонская (регия), жилкование листа (г) [16, 17]

Рис. 7. Снижение веса элементов шлифовального станка: эскиз станка с указанием степеней свободы (а), оптимизируемый элемент (б) и природные аналоги при проведении оптимизации [16, 18]
 

Рис. 8. Топологическая оптимизация (ТО) поперечины пресса: конечно-­элементный анализ конструкции станины пресса с исходной и оптимизированной поперечиной, показано поле перемещений в вертикальном направлении (а), ТО в программах/решателях NX Nastran, Tosca и Frustum (б, в, г соответственно) [19]
 

Эти решения позволили повысить устойчивость всей конструкции машины к частотам первой моды, соответствующей направлению обработки материала детали, снизить вес конструкции и сохранить её жёсткость.

Детали машин

Существующее разнообразие применения деталей, имеющих одну и ту же конструкцию, указывает на то, что их конструкция должна быть оптимизирована под условия эксплуатации. Как правило, в качестве целевых функций выбирают максимальную жёсткость, минимальные напряжения, минимальную массу и максимальную частоту, на которой не происходит появление излишнего шума и вибрации. На рис. 9, 10 и 11 представлены детали, имеющие широкое применение, однако оптимизированные под узкие эксплуатационные задачи.

Например, снижение веса без потери жёсткости и с повышением вибро- и шумоизоляции может быть достигнуто за счёт применения градиентно ­изменяющейся, повторяющейся или не повторяющейся ячеистой структуры (рис. 9), добавлением в неё неметаллического более мягкого материала (рис. 10) или перехода от сплошной детали к оболочке.

Рис. 9. Снижение веса опоры винта: исходное и оптимизированное исполнение детали с установленными подшипниками и винтами (а, б соответственно), опора в разобранном виде (в) [20]

Рис. 10. Снижение веса диска шестерни редуктора: 3D-модель с местом расположения ячеистой структуры (а), сплошная исходная шестерня (б), шестерня с ячеистой структурой (в), а также с ячеистой структурой и дополнительной инфильтрацией объёма полимером [21]
 

Рис. 11.  Проектирование авиационного кронштейна: исходная 3D-модель и схема нагружения/закрепления (а), результат топологической оптимизации кронштейна (б), испытательный стенд для проверки эксплуатационной характеристики кронштейна (в) [22]
 

Подобные изменения стали возможны с появлением в конце XX века нового класса технологий, основанных на послойном синтезе объектов. Наиболее распространённым термином для этого класса является термин «аддитивные технологии» или «3D-печать». Эти технологии направлены на создание деталей со сложной, повторяющейся геометрией, имеющих поднутрения и нависающие элементы в конструкции.

Выводы

Имеющийся во всём мире интерес к пересмотру подходов конструирования деталей машин, производственного оборудования и транспортных средств приводит к появлению новых решений, ассоциированных с конкретной областью реальной эксплуатации детали. Применение современного компьютеризированного оборудования, совмещение традиционных и новых технологий заготовительного производства позволяет достичь новых результатов, которые до сих пор оставались лишь на уровне научной фантастики!

Литература

1. Л. Жерарден. Бионика. Пер. с фр. М. Н. Ковалевой. Под ред. В. И. Гусельникова. М.: Мир. 1971. С. 232.
2. А. Гийо, Ж.-А. Мейе. Бионика. Когда наука имитирует природу. Пер. с фр. М.: Техносфера. 2013. С. 280.
3. W. Nachtigall, A. Wisser. Bionics by Examples, Springer International Publishing Switzerland 2015. Р. 325.
4. М.А. Петров. Разновидности и задачи геометрической оптимизации изделий для аддитивного производства // Аддитивные технологии. 2022. № 1. С. 34–41.
5. Г.Г. Гончаренко, Н. Г. Галиновский. Энтомология. Насекомые с полным превращением. Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины. 2006. С. 181.
6. C. Tu, J. Li, X. Wang, C. Shen, J. Li. Bionic Technology and Deep Learning in Agricultural Engineering: Current Status and Future Prospects, Chunlei Tu et al. // American Journal of Biochemistry and Biotechnology. 2021. № 17 (2): 217.231 DOI: 10.3844/ajbbsp.2021.217.231
7. H. Jia, C. Li, Z. Zhang, G. Wang. Design of Bionic Saw Blade for Corn Stalk Cutting // Journal of Bionic Engineering. 2013. № 10 (4). Рр. 497–505. DOI: 10.1016/s1672–6529(13)60242–5
8. K. Tian, X. Li, C. Shen, B. Zhang, J. Huang, J. Wang, Y. Zhou. Design and test of cutting blade of cannabis harvester based on longicorn bionic principle. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE). 2017. 33(5): 56–61. DOI: 10.11975/j.issn.1002–6819.2017.05.008
9. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/015/885.htm 
10. https://www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/jahre...‑jahresbericht-­fraunhofer-umsicht.pdf
11. https://www.ist.fraunhofer.de/content/dam/ist/de/documents/jb/2010/jb201...
12. https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/bionik-­wettbewerb-was-rattenzaehne-­scharf-macht-a‑345916.html
13. https://group-­media.mercedes-benz.com/marsMediaSite/de/instance/ko.xhtml?oid=9361190&relId=1001&resultInfoTypeId=172#toRelation
14. https://www.rspb.org.uk/birds-and-wildlife/wildlife-­guides/bird-a-z/kingfisher/ 
15. https://en.wikipedia.org/wiki/500_Series_Shinkansen
16. L. Zhao, J. Ma, T. Wang, D. Xing. Lightweight Design of Mechanical Structures based on Structural Bionic Methodology // Journal of Bionic Engineering. 2010. № 7. Рр. 224–S231. DOI: 10.1016/s1672–6529(09)60239–0
17. L. Zhao, J. Ma, W. Chen, H. Guo. Lightweight Design and Verification of Gantry Machining Center Crossbeam Based on Structural Bionics // Journal of Bionic Engineering. 2011. № 8 (2). Рр. 201–206. DOI: 10.1016/s1672–6529(11)60021–8
18. L. Zhao, W. Chen, J. Ma, Y. Yang. Structural Bionic Design and Experimental Verification of a Machine Tool Column // Journal of Bionic Engineering. 2008. № 5. Рp. 46–52. DOI: 10.1016/s1672–6529(08)60071–2
19. K. Raz, M. Cechura. Usage of topological optimization in design of mechanical forging presses, MM Science Journal, November 2018. Рp. 2581–2584. DOI: 10.17973/MMSJ.2018_11_201877
20. N. Helfesrieder, M. Neubauer, A. Lechler, A. Verl. Hybrid manufacturing of topology optimized machine tool parts through a layer laminated manufacturing method. Production Engineering. DOI: 10.1007/s11740–021–01095–7
21. R. Ramadani, S. Pal, M. Kegl, J. Predan, I. Drstvenšek, S. Pehan, A. Belšak. Topology optimization and additive manufacturing in producing lightweight and low vibration gear body // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. № 113 (11-12). Рр. 3389–3399. DOI: 10.1007/s00170–021–06841‑w
22. G. Shi, C. Guan, D. Quan, D. Wu, L. Tang, T. Gao. An aerospace bracket designed by thermo-­elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing // Chinese Journal of Aeronautics. 2019. DOI: 10.1016/j.cja.2019.09.006

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2022