創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：21世紀(jì)是科技創(chuàng)新的時(shí)代，創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)深入到許多領(lǐng)域，特別是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，創(chuàng)新思想已經(jīng)不再是神秘話題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用得到了全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用;創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從工業(yè)革命以來，在二百多年的工業(yè)化進(jìn)程中，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一直是推動(dòng)和發(fā)展前沿技術(shù)的永恒動(dòng)力，創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(huì)帶來產(chǎn)品的更新優(yōu)化，也會(huì)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(jì)，而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和思維來源，更是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心問題，特別是在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維的應(yīng)用是一直不斷探索的課題。

一、在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)概況

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展是從無到有、從簡到繁、從粗糙到精密。每一次舊結(jié)構(gòu)在新環(huán)境中的失敗，激勵(lì)了設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)的欲望，通過早期經(jīng)驗(yàn)一次次的積累，總結(jié)出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的規(guī)律和方法，為滿足每一次新的需求，提供經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，這就是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通常創(chuàng)新設(shè)計(jì)從困難與挑戰(zhàn)來，又要回到困難與挑戰(zhàn)當(dāng)中去。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)要符合理論力學(xué)的物理規(guī)律，絕不是天馬行空的想象。因此設(shè)計(jì)創(chuàng)新是為提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。

二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的變?cè)?/p>

目前機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最常用的思維方法就是變?cè)ǎ冊(cè)ň褪侵冈谕ㄟ^改變機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部的特征元素參數(shù)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)屬性的改變，以此來達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。這些元素包括形狀元素、尺寸元素、材料元素、位置元素、連接元素以及數(shù)量元素等等。變?cè)▌?chuàng)新設(shè)計(jì)，能夠改變?cè)Y(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)特性，清除設(shè)計(jì)缺陷，完善機(jī)械結(jié)構(gòu)的屬性，促進(jìn)加工工藝的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的完整優(yōu)化和創(chuàng)新。

1.形狀元素創(chuàng)新設(shè)計(jì)

通過對(duì)機(jī)械構(gòu)件形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，獲得能夠滿足機(jī)械性能需求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，形狀的創(chuàng)新是變?cè)ㄖ薪?jīng)常使用的一種方法，對(duì)機(jī)械構(gòu)件外在物理形狀進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，調(diào)整結(jié)構(gòu)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的提升。例如彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)不同使用要求，彈簧截面可以設(shè)計(jì)成非圓形的。石化部門接觸石油類產(chǎn)品，為減小化學(xué)類產(chǎn)品腐蝕的影響，多將零部件設(shè)計(jì)成曲線面或曲面體，減小表面積。

2.尺寸元素創(chuàng)新設(shè)計(jì)

通常形狀元素和尺寸元素是融合在一起的，尺寸元素是在確定了形狀元素基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，尺寸包括長度、曲度、角度等參數(shù)。在滿足機(jī)械功能的前提下，對(duì)尺寸做優(yōu)化處理，可提高構(gòu)件維護(hù)的方便性以及靈活性。

3.材料元素創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)能否達(dá)到性能指標(biāo)，絕大多數(shù)由機(jī)械材料來決定，材料的選擇直接影響機(jī)械構(gòu)件形狀、尺寸以及加工工藝的選擇。因此，選擇強(qiáng)度、剛度、可塑性等性能更加優(yōu)良的材料，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上的巨大飛躍。飛機(jī)機(jī)翼一般選擇鋁合金作為材料，但由于鋁的強(qiáng)度有限，降低了飛機(jī)的載荷能力。而隨著鈦合金材料的誕生，同樣厚度的機(jī)翼，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金，同時(shí)降低戰(zhàn)斗機(jī)自重，提高載荷系數(shù)，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力。

4.位置元素創(chuàng)新設(shè)計(jì)

位置元素是指起功能作用或連接作用的結(jié)構(gòu)在整體機(jī)械構(gòu)件中的坐標(biāo)點(diǎn)位。機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中除了構(gòu)件的形狀、尺寸、材料的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也是非常重要的一種方法。位置的改變直接影響機(jī)械構(gòu)件裝配和執(zhí)行功能，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最直觀的表現(xiàn)，也是機(jī)械結(jié)構(gòu)樣式的表達(dá)主體。位置設(shè)計(jì)遵循的是機(jī)械原理和理論力學(xué)，位置合理性的創(chuàng)新是機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最璀璨的明珠。比如符合人體力學(xué)的曲線式座椅，會(huì)提高舒適性，被廣泛使用。

5.連接元素創(chuàng)新設(shè)計(jì)

連接元素是指構(gòu)件和構(gòu)件之間的連接機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、用途、工作特性的不同，選擇不同的連接方式，會(huì)給實(shí)際使用和維護(hù)帶來極大的便利，提高工作效率，獲得良好的評(píng)價(jià)，也為機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品帶來更加寬廣的市場。比如工作強(qiáng)度不高，但使用頻率高的連接機(jī)構(gòu)就要選擇靈活性和互換性強(qiáng)的連接方式。

（二）TRIZ設(shè)計(jì)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)同時(shí)還要滿足非唯一條件的問題，解決沖突的原則就是改進(jìn)系統(tǒng)中任一結(jié)構(gòu)或性能的同時(shí)，不能對(duì)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(shí)產(chǎn)生的沖突，這導(dǎo)致系統(tǒng)中的某部分同時(shí)出現(xiàn)兩種完全相反的行為或狀態(tài)，這一問題是由一個(gè)系統(tǒng)指數(shù)的變動(dòng)而產(chǎn)生的。另一類，是技術(shù)沖突，這是指系統(tǒng)中增強(qiáng)某一部分的性能而對(duì)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(gè)系統(tǒng)性能指數(shù)導(dǎo)致的。

三、結(jié)語

機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅有以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的試驗(yàn)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(jī)械領(lǐng)域重要的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，在面對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)問題時(shí)，經(jīng)驗(yàn)與方法論兩類創(chuàng)新思路既是相互彌補(bǔ)，也是相互檢測(cè)，只有兩者有機(jī)的結(jié)合，才是不斷提高機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最佳方案。當(dāng)然，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，還會(huì)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(jì)將是永恒的話題。

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作者簡介：董燕（1984-），女，漢族，江西新余人，本科，高職講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。