樹木彷生學-向樹木學習,解決機械工程難題

樹木彷生學-向樹木學習,解決機械工程難題


德國汽車、機械手臂,核子反應爐都有參考樹木的設計



在機械機構設計上,最大的問題是,如何讓零件堅固耐用,如圖上的的機件,在一直連續受力的過程中,會從最弱的地方發生斷裂的現象,這種現象缺口效應,如何解決這類問題,讓機械更能有效的運作不發生故障??


Claus Mattheck

德國科學家 Claus Mattheck 觀察樹木的生長適應負重的變化,發現樹木生長會用最少的材料來做最強度的優化,他把這個發現,以物理分析,研究出數學的模式,這大量的計算用電腦輔助運算,應用在機件強化。

機件就像樹木一樣,變的有生命,像活的一樣生長,補強最弱的部份,減輕局部缺口效應增加強度,他將這種方式稱為計算機輔助優化法CAO(computer aided optimization)


我們來看看是如何做到的:

CAO計算機輔助優化法


樹皮的生長,減少缺口效應的發生

以有限元素分析計算增加材料,直到最穩定的結構完成計算

優化前與優化後,最大應力減少

經優化後的機件,大大減少缺口效應,增加零件耐用度。


經優化過的螺絲,在承重循環的測式中,比未優化的螺絲能持續承受多20倍的承重次數而不斷裂。

the screw reproducibly sustained twenty time more load cycles. in a load cycle test than the non-optimized screw without breaking.


讓機械模彷樹木生長,可以優化使機械更加穩固耐用

這種方式可以輔助機械設計者,幫助機械產品的優化,決定機件應該要什麼形狀,機械手臂要多長,才能堅固好用。


為什麼德國車這麼好開,產品好用,工業如此的發達強盛,也許是德國人對樹木的熱愛。

參考資料:





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