機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計及其優(yōu)化

董立占（黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,黑龍江　佳木斯　154002）

機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計及其優(yōu)化

董立占
（黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,黑龍江佳木斯154002）

摘要：本文介紹了機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的變元法的七種方式，通過實例來闡述各種變元法的應(yīng)用和功能。選取變元法之后可以通過模糊綜合評價的方法對每一種方案進行評判。之后針對某種重要部件來做專項優(yōu)化，進而實現(xiàn)整個機械結(jié)構(gòu)的完善創(chuàng)新和綜合優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；創(chuàng)新

1　結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計新方法—變元法

結(jié)構(gòu)設(shè)計作為機械設(shè)計過程中至關(guān)重要的組成部分，所完成的工作是按照的機械原理進行機械圖紙的設(shè)計。變元法是由德國科學家發(fā)明的方法，主要應(yīng)用于機械相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖紙的設(shè)計，其特點是具有創(chuàng)新性。本文針對變元法作出了一定的修改和完善，目的是讓這種方法更容易被應(yīng)用和理解。變元法在機械行業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。我們在使用變元法的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，是以完成這種產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)為前提，再進行其他新型設(shè)計思路的研發(fā)。

變元法的含義主要包含兩個方面：一方面，機械結(jié)構(gòu)方面，這方面的變元法主要包括七個種類；另一方面，針對這部分的變元進行改變，創(chuàng)新性的實現(xiàn)不同種類的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以下是對7個變元的闡述：

1.1數(shù)量變元

數(shù)量變元指的是研究機械設(shè)備的所有的零部件或構(gòu)件的全部的外形、工作面以及生產(chǎn)的點、線、面等都看做是構(gòu)成零部件的基本元素，對這些基本元素的數(shù)據(jù)進行修改，完成針對機械設(shè)備構(gòu)件的優(yōu)化的目標。例如：為了實現(xiàn)簡化的目的，在設(shè)計鑄件零件的外形時，多使用直線設(shè)計的外形輪廓。

1.2形狀變元

形狀變元指的是從機械的形狀方面對機械結(jié)構(gòu)的外形和重要輪廓、加工表面以及所使用零部件的種類和尺寸進行優(yōu)化調(diào)整，進而得出多種結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，從而對整個機械進行優(yōu)化調(diào)整。機械設(shè)計過程中這類因素的創(chuàng)新是把機械設(shè)備的運行原理轉(zhuǎn)化為設(shè)計圖紙的過程。例如，火力發(fā)電廠的冷渣機，為了能夠把高溫爐渣以最快的速度降低溫度，技術(shù)人員采用了形狀變元的方法對冷渣機進行優(yōu)化設(shè)計，改變原有的單腔體為多腔體，提高了降低溫度速率這一難題。

1.3材料變元

零部件選取多種類型的材料一般會改變這種零件的尺寸，進而生產(chǎn)工藝也會相應(yīng)的變化，以至于改變了整體機械的外形和構(gòu)造。我們可以針對材料的改變而設(shè)計出多種類型的構(gòu)造方案。

1.4位置變元

位置變元指的是按照機械設(shè)備的構(gòu)造位置的改變，實現(xiàn)多種類型設(shè)計方案的形成。例如，在針對焊縫零部件的焊接方法時，選擇焊縫的位置非常重要，當我們選擇在中心軸附近時，避免了零件由于收縮造成的彎曲變形。

1.5聯(lián)接變元

聯(lián)接變元指的是在設(shè)計過程中應(yīng)該注意元素的兩個方面：一方面，我們需要確定元素聯(lián)接方法的改變。例如，工作中常見的焊接、熱熔連接等；另一方面，我們需要研究針對任意一種聯(lián)接方式的不同類型的聯(lián)接結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，進而得到不同類型的方案。例如，兒童玩具在設(shè)計過程中要盡量做到安全聯(lián)接，我們可以設(shè)計成卡扣聯(lián)接方式，這樣不容易出現(xiàn)小孩誤食螺絲的現(xiàn)象。

1.6尺寸變元

尺寸變元指的是高度、寬度、直線度、彎曲度等方面的內(nèi)容。技術(shù)人員在針對這些元素進行創(chuàng)新設(shè)計時，一般側(cè)重于改變零件的尺寸。完成對機械系統(tǒng)構(gòu)件完善的目的。例如，技術(shù)人員想提升粉碎機的物料目數(shù)，針對動力副在整體機構(gòu)上的相對位置做出了改變，進而完成了粉碎目數(shù)的提升，效果是原來的2倍。

1.7工藝變元

設(shè)計和工藝的關(guān)系是相互銜接和相輔相成的。每種零部件的加工方法和制造工藝各不相同，各類零部件與設(shè)備的加工和制造質(zhì)量、生產(chǎn)周期、成本和使用年限也千差萬別，進而制約著設(shè)備產(chǎn)品的構(gòu)造。按照相應(yīng)產(chǎn)品的工藝特性，結(jié)合使用以上7類變元，按照進行

根據(jù)所設(shè)計機械產(chǎn)品的特點,靈活地運用上述7個變元,同時設(shè)計者依據(jù)所具備的知識、經(jīng)驗,運用創(chuàng)造性思維方法,如類比、推理、歸納、模擬、想象、直覺及靈感等,可構(gòu)思出很多種結(jié)構(gòu)方案。

2　　精密儀器與精密機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的必要性

當今社會是科技高速發(fā)展的時代，測量設(shè)備和機械構(gòu)造的設(shè)計理念和方式都進行著完善和提升。如何讓青年人可以快速的適應(yīng)企業(yè)對適應(yīng)性和才能的要求，成為我們大家亟待思考的問題。因此，在進行實習設(shè)計的課程教學過程中，引入前沿的、適應(yīng)企業(yè)需求的人才培養(yǎng)方法和相應(yīng)的實習方式和裝備變成了必須考慮的問題。所有的測量設(shè)備或控制裝置都具有相應(yīng)的適應(yīng)所在系統(tǒng)需求的系統(tǒng)或構(gòu)造，那么在測量設(shè)備、控制裝置確定的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，如何使用先進的設(shè)計思路和多種類型的機械構(gòu)造構(gòu)件進行優(yōu)化整合，建造適應(yīng)系統(tǒng)需求的高端機械構(gòu)件，是我們當前工程設(shè)計的重要方法。

根據(jù)企業(yè)對人員的需求，按照建造機械系統(tǒng)和構(gòu)造的整個階段，依據(jù)以往的經(jīng)驗，側(cè)重對機械設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容、方式、理念的研究；注重對系統(tǒng)構(gòu)造的探索；注重研究、分析問題的方式方法和創(chuàng)新水平的提升。建立一整套面向企業(yè)所需求的能夠操作精密設(shè)備和高科技儀器人才的培養(yǎng)方式非常重要。

3　結(jié)構(gòu)方案的評價與優(yōu)化

為了得到最優(yōu)化的方案，我們針對所有的方案都進行了全面的分析研究，按照模糊綜合評價的方法實現(xiàn)所有方案的評判。首先選定的評判指標是在構(gòu)造方案的性能標準、經(jīng)濟效益、可實現(xiàn)性、保養(yǎng)維修以及技術(shù)性能等方面進行選取。通過這種全面的評價方式在所有方案中選擇出最適合的方案。其次是在完成上述評價之后，針對整個系統(tǒng)中主要的零件和構(gòu)件建立模型，通過對數(shù)學模型的的計算完成模型的優(yōu)化設(shè)計。在建立數(shù)學模型的過程中，完善數(shù)學模型以達到盡量復(fù)合機構(gòu)的運動特征，這樣的數(shù)學模型得到的數(shù)據(jù)結(jié)果能夠為機械結(jié)構(gòu)的研究分析和產(chǎn)品優(yōu)化提供更為真實準確度數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。

數(shù)學模型可以表達機械構(gòu)造中的各類變元，但是也有一些變化是不能夠或者較難描述。當我們在優(yōu)化設(shè)計中過度的依靠數(shù)學模型的數(shù)據(jù)，那么我們就被模型所局限而不能實現(xiàn)真正意義上的完善合理的優(yōu)化設(shè)計，同時也很難被應(yīng)用在實踐當中。另外，我們還應(yīng)該針對機械結(jié)構(gòu)中的主要零件或者構(gòu)件進行可靠性和有限元方面的研究分析，針對機械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動件和力矩分析，來實現(xiàn)從多角度為機械設(shè)備結(jié)構(gòu)進行全方位的優(yōu)化分析，來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的創(chuàng)新研究。

參考文獻：

[1]陳小強.劉京誠精密機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新實驗[J].實驗技術(shù)與管理，2008（07）.

作者簡介：董立占（1971-），男，山東嘉祥人，本科，副教授，研究方向：機電一體化。