中文摘要：

生物体的结构经过了亿万年自然选择和进化，具有人造结构无法比拟的优势，充分体现了自然进化的趋向用最少的结构材料来承受最大的载荷，达到最佳的结构效能。如果在机械结构中的框、肋、筋、架等也能依据结构仿生的原则布置和成型，将可能取得优异的整体结构效能。当前的结构仿生设计已经取得了显著效果，但在结构仿生设计中，生物对象的选择基本还是靠设计者的灵感，仿生结构也停留在对生物结构形状的模仿。结构仿生的研究和应用尚未形成系统的理论和规范的方法，结构仿生设计还不是普通设计师可以选用的规范化技术。本项目将研究基于结构仿生的最大结构效能设计理论、规则及方法，旨在提出结构仿生的设计准则和方法，探讨面向最佳结构效能的结构仿生设计理论体系，推动结构仿生设计成为机械结构优化设计领域的一个新学科分枝，具有显著的科学意义。研究成果将在航空航天、车辆、船舶、机床、建筑等领域具有应用前景，促进各类产品的轻量化设计能力跨越式发展

结论摘要：

经过亿万年的进化，自然界生物体发展出许多具有优异力学性能的结构特征，这些结构特征对机械结构的优化设计有着重要的指导意义。然而，由于结构仿生还缺乏必要的基础理论和有效的设计方法，结构仿生设计在机械结构中的应用还处于初级发展阶段，生物结构的力学优势并没有充分的发挥出来。为了促进结构仿生在机械结构设计当中的应用，本课题做了以下三方面的研究工作（1）总结了三种典型的生物体结构特征，包括梯度结构、分支结构和拱形结构，对这三种特征的代表性生物进行了详细的分析。竹纤维在竹节横截面上的分布形式就是典型的梯度分布形式。通过建立竹截面结构的简化力学模型，并对其进行参数分析，发现，其力学优势可以通过设置简化力学模型的参数来实现。叶脉是典型的分支结构。选取了超过100种叶子，对其参数包括叶片的长宽比、主次叶脉夹角等进行统计分析。通过分析发现，叶脉遵从相同的分布规律，不管是掌状叶脉还是羽状叶脉。通过建立力学模型进行分析，发现，主叶脉分布的力学规则是直接连接约束区域和极端受力区域。通过对简单的圆弧拱进行理论计算和力学模型分析，发现，圆弧拱上刚度和强度与拱的跨度矢高比有着密切的关系。（2）通过对相似理论、优化理论、统计分析进行深入分析，总结了一个系统有效的针对机械结构轻量化的结构仿生设计方法。对相似分析中的三要素，功能、结构和载荷，进行了深入探讨，指出功能上的相似分析是生物选型的首要决定因素。对比了使用优化和不使用优化的结构设计，指出了参数优化的必要性。利用统计分析进行了生物体结构的参数统计，验证了统计分析的有效性。（3）为了验证典型生物体结构特征的分析结果以及提出的结构仿生设计方法，对几个机械零件进行了结构仿生设计。基于对竹截面的分析，对薄壁柱状壳结构进行了仿生设计，将其抗压临界失稳载荷提高了44.7%。利用叶脉的统计规律和力学规律，对机床工作台进行了仿生设计，将其最大位移减小了30.9%。利用拱形结构的力学分布规律，对机床横梁进行了仿生设计，使其在刚度和强度不弱于原型的情况下，整体减重了约3.58%。