1、創(chuàng)新設(shè)計在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用 駱林威摘要：近些年，隨著社會的快速發(fā)展，帶動了我國各個領(lǐng)域的進步。機械工程 是以自然和技術(shù)科學(xué)等物理知識為基礎(chǔ)學(xué)科，進行機械的設(shè)計、制造及維修工程， 結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，研究新技術(shù)、新方法解決實際問題。裝備工業(yè)各個方面的機 械設(shè)備，根據(jù)不同的使用目的，設(shè)計制造專門的機械裝備。如今，很多機械設(shè)備 的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)很成熟，隨著人們生活水平的提高，日常設(shè)備和制造業(yè)機械設(shè)備 均需要更新?lián)Q代，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中引進新方向，優(yōu)化目前的機械設(shè)備內(nèi)外部結(jié) 構(gòu)，使設(shè)備更高效、便捷。有必要對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行創(chuàng)新設(shè)計進行研究，引進 思維創(chuàng)新元素，推動機械行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展。關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計；應(yīng)用；創(chuàng)新設(shè)計引言 從工業(yè)革命以來，在二百多年的工業(yè)化進程中，創(chuàng)新設(shè)計一直是推動和發(fā)展 前沿技術(shù)的永恒動力，創(chuàng)新設(shè)計既是發(fā)展生產(chǎn)力的源泉，也是生產(chǎn)力發(fā)展的結(jié)果。 技術(shù)的創(chuàng)新會帶來產(chǎn)品的更新優(yōu)化，也會創(chuàng)造出全新的科技成果。創(chuàng)新成果離不 開創(chuàng)新設(shè)計，而創(chuàng)新設(shè)計的方法和思維來源，更是創(chuàng)新設(shè)計的核心問題，特別是 在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，創(chuàng)新設(shè)計思維的應(yīng)用是一直不斷探索的課題。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)主要由各種機械零件組成。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計首先必須滿足功能性要求 使得產(chǎn)品能達到某種機械作用。通過對零件的原材料、尺寸、加工方式、熱處理 方法、機械動作、性能、外觀、維修等諸多因素考慮，設(shè)計出合格的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 機械

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計需要對產(chǎn)品有多方面要求，包括功能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性、 外觀、運輸?shù)榷喾矫妗?chuàng)新設(shè)計在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用方式2.1 材料變元 在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，通常要按照不同的結(jié)構(gòu)類型選擇不同的材料，在 選擇材料時，通過材料變元可以得到很多意料之外的成果。通過改變材料的特性， 或者利用材料特性設(shè)計更穩(wěn)定可靠的機械結(jié)構(gòu)。例如，在玻璃外表易損器件的固 定結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可利用柔性材料和剛性材料不同的特性，設(shè)計一種能夠提高敏感 光學(xué)器件抗沖擊能力的結(jié)構(gòu)，從而達到將敏感光學(xué)器件運用在高沖擊高振動環(huán)境 中。如圖 1 所示，在易損器件的固定設(shè)計中，摒棄了傳統(tǒng)剛性固定的設(shè)計，采用 了橡膠約束墊進行徑向的固定

4、，然后通過金屬固定環(huán)和固定線路板進行軸向固定 的設(shè)計。2 種不同特性的材料相互作用，不僅可以最大限度地利用產(chǎn)品內(nèi)部空間 而且提高了易損器件在高沖擊高振動環(huán)境中的可靠性。圖1 材料變元在創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用2.2 產(chǎn)品數(shù)量變元法 對機械來說，其最小的構(gòu)成部分是機械零件，為提高機械的整體產(chǎn)能，機械 零部件的性能是關(guān)鍵。機械設(shè)計者在選擇零部件的時候要考慮其材質(zhì)和性能，并 進行合理的優(yōu)化和創(chuàng)新。在產(chǎn)品的測試階段，機械設(shè)計者需要對每個零件進行使 用頻率、安全性能、環(huán)保節(jié)能以及精確性等方面的綜合考評。此外，還要對零件 的綜合測評指標(biāo)進行優(yōu)勝劣汰的考評，綜合調(diào)整產(chǎn)品的組成數(shù)量和排序，以提升 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。2

5、.3 位置變元法交換零件的位置能改變相同數(shù)量和材料零件機械產(chǎn)品的特性和功能，設(shè)計者 必須保證機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時的尺寸變元，不斷找到最佳的零件應(yīng)用尺寸，實現(xiàn)零件 應(yīng)用方案的優(yōu)化。除了要注重零件的性能外，還應(yīng)該對零件的外形、尺寸進行一 定的變化或者修正，保證機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)的正常。在平時對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該 盡量縮小零件的尺寸，并將機械結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化，以便內(nèi)部零件的不斷協(xié)調(diào)運行 直接縮小機械結(jié)構(gòu)的外形。形狀元素的設(shè)計應(yīng)用變元法是指通過改變機械的內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)設(shè)計，來實現(xiàn)機械預(yù)期的性能指 標(biāo)。形狀元素的創(chuàng)新設(shè)計，是指設(shè)計機械外表形狀，令機械性能夠滿足形狀元素 的創(chuàng)新設(shè)計，合理調(diào)整零件的規(guī)格，令機械構(gòu)件的結(jié)

6、構(gòu)性能愈發(fā)完善。比如，在 彈簧的設(shè)計理念中，主要通過彈力來壓緊零件。通過將形狀元素創(chuàng)新設(shè)計，使彈 簧形狀、類型的選擇更加多樣化，令壓緊件的形狀可以改變。需要注意的是，實 際設(shè)計中需要充分考慮彈簧與零件之間的距離，合理施加壓緊力，保障機械零件 的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。工藝變元機加工工藝是指利用機械加工的方法，按照圖紙的圖樣和尺寸，使毛坯的形 狀、尺寸、相對位置和性質(zhì)成為合格零件的全過程。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè) 計師需要對加工工藝有全面的了解。只有掌握產(chǎn)品的加工工藝，才可以設(shè)計出優(yōu) 秀的產(chǎn)品。通常在實際生產(chǎn)過程中，由于各種原因會使得設(shè)計出來的產(chǎn)品加工方 式不是優(yōu)選方式，在某個工序過程中需要耗費過多的資源

7、去滿足工藝要求。這個 時候，采用工藝變元法的創(chuàng)新設(shè)計能夠大大優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。尺寸變元尺寸是機械結(jié)構(gòu)組成的基本因素之一。設(shè)計師在設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候，通過尺寸 調(diào)整，可以改變原材料尺寸，節(jié)約采購成本；通過尺寸調(diào)整，可以改變加工設(shè)備 規(guī)格，降低加工成本；通過尺寸調(diào)整，可以降低倉儲空間、周轉(zhuǎn)空間、運輸空間 進而減少費用。對于公差尺寸的調(diào)整，往往降低公差尺寸會改變加工方式、加工 設(shè)備，減少加工工時，節(jié)約成本。提高尺寸公差，會增加零件配合性能，調(diào)高設(shè) 備的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的使用壽命。在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計過程中，我們往往采取雙 向創(chuàng)新。通過降低部分尺寸公差已減少原材料采購、加工、裝配、包裝運輸?shù)确?面的成本。與

8、此同時提高關(guān)鍵尺寸的公差等級達到更好的機械性能。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化創(chuàng)新方法3.1 保障結(jié)構(gòu)的社會效益與系統(tǒng)可行性當(dāng)今，對機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計主要是采用變元法，其可以有效改變機械結(jié)構(gòu) 設(shè)計的影響因素，獲取新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和創(chuàng)新方法。然而，在實際運用變元方法時 還需要結(jié)合市場需求，綜合考慮經(jīng)濟、性能、設(shè)計的形狀、材料品質(zhì)以及數(shù)量等 多個方面的因素，并針對此類元素制定有針對性的設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計方案。對企業(yè) 而言，由于創(chuàng)新和優(yōu)化產(chǎn)品的最終目的是保障企業(yè)的經(jīng)濟效益，因此結(jié)合市場的 需求和自身的競爭力進行有效的設(shè)計是其考慮的最重要的因素。在機械設(shè)計時， 要求設(shè)計者結(jié)合實際需要和企業(yè)未來的發(fā)展，保障經(jīng)濟收益的同時考

9、慮方案的可 行性。3.2 TRIZ 設(shè)計創(chuàng)新理論TRIZ 理論闡述了發(fā)明問題的核心：解決沖突。沖突就是在達到預(yù)期目標(biāo)同時 還要滿足非唯一條件的問題，解決沖突的原則就是改進系統(tǒng)中任一結(jié)構(gòu)或性能的 同時，不能對同一系統(tǒng)中的相鄰結(jié)構(gòu)或性能產(chǎn)生不良作用。沖突分兩類，一類， 是物理沖突，物理沖突是指，要求其中的某子系統(tǒng)做出與子系統(tǒng)性能相反的行為 時產(chǎn)生的沖突，這導(dǎo)致系統(tǒng)中的某部分同時出現(xiàn)兩種完全相反的行為或狀態(tài)，這 一問題是由一個系統(tǒng)指數(shù)的變動而產(chǎn)生的。另一類，是技術(shù)沖突，這是指系統(tǒng)中 增強某一部分的性能而對系統(tǒng)產(chǎn)生了有害或利害各半的結(jié)果，或者，有益元素的 的加入或有損元素的清除引起他的子系統(tǒng)消極變化，技術(shù)沖突是由兩個系統(tǒng)性能 指數(shù)導(dǎo)致的。結(jié)語 機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計不僅有以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的試驗創(chuàng)新，也有宏觀方法論的理論 體系創(chuàng)新，無論哪一種，都是機械領(lǐng)域重要的創(chuàng)新設(shè)計方法，在面對實際結(jié)構(gòu)問 題時，經(jīng)驗與方法論兩類創(chuàng)新思路既是相互彌補，也是相互檢測，只有兩者有機 的結(jié)合，才是不斷提高機械創(chuàng)新設(shè)計的最佳方案。當(dāng)然，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，還 會有更加巧妙的創(chuàng)新思路出現(xiàn)，這要依賴于科研工作者的不懈奮斗和努力，相信 創(chuàng)新設(shè)計將是永恒的話題。參考文獻：蔣良葒，劉濛，王逸鳴.創(chuàng)