創新設計在機械結構設計中的應用

蔣建東

（河南弘康光能科技有限公司，河南 駐馬店 463000）

1 在機械結構設計當中的創新設計概況

機械結構的設計發展是從無到有、從簡到繁、從粗糙到精密。每一次舊結構在新環境中的失敗，激勵了設計者對結構性能改進的欲望，通過早期經驗一次次的積累，總結出結構改進的規律和方法，為滿足每一次新的需求，提供經驗基礎和檢測標準，進而實現結構的改進，這就是創新設計。通常創新設計從困難與挑戰來，又要回到困難與挑戰當中去。機械結構的創新設計要符合理論力學的物理規律，絕不是天馬行空的想象。

2 創新設計在機械結構設計中的應用方式

目前機械結構創新設計中最常用的思維方法就是變元法，變元法就是指在通過改變機械結構內部或外部的特征元素參數的設計來實現對機械結屬性的改變，以此來達到預期的性能指標。這些元素包括形狀元素、尺寸元素、材料元素、位置元素、連接元素以及數量元素等等。變元法創新設計，能夠改變原結構中的設計特性，清除設計缺陷，完善機械結構的屬性，促進加工工藝的改進，實現機械結構設計體系的完整優化和創新。

2.1 形狀元素創新設計

通過對機械構件形狀進行重新設計，獲得能夠滿足機械性能需求的創新結構。機械結構創新設計中，形狀的創新是變元法中經常使用的一種方法，對機械構件外在物理形狀進行創新設計，調整結構系數，實現機械結構性能的提升。例如彈簧結構設計的時候，根據不同使用要求，彈簧截面可以設計成非圓形的。石化部門接觸石油類產品，為減小化學類產品腐蝕的影響，多將零部件設計成曲線面或曲面體，減小表面積。

2.2 尺寸元素創新設計

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上進行改進的，尺寸包括長度、曲度、角度等參數。在滿足機械功能的前提下，對尺寸做優化處理，可提高構件維護的方便性以及靈活性。

2.3 材料元素創新設計

材料是機械結構中最基礎也是最重要的部分，為最終整體結構質量奠定基礎。材料的不同也決定著功能和最后呈現效果的不同。所以說，選用正確合理的材料對機械結構尤為重要。在創新設計工作開展時，對材料的選擇不能忽略懈怠，要根據實際情況從各種各樣的材料中找出最符合標準和要求的，從而來保障工作順利進行和結構質量的良好。假設以鋼材為選中材料用于機械結構，那么務必需要提升結構的穩定性和剛硬度，這樣才能充分的將其鋼材的特點發揮出來，實現最優結構質量。如果要完成這一想法，必須需要對鋼材進行和截面積的加大工作，這樣才能把它的優勢發揮到最大。鑄鐵材料與鋼材相比，剛硬度有一點不足，并且深受原先傳統設計的影響，導致它的優點優勢不能發揮到位，確保不了結構的質量和安全。為了改善這一問題，可以將強筋或其他類似材料加入到鑄鐵中，這對質量和性質都有質的提高。

2.4 位置元素創新設計

位置元素是指起功能作用或連接作用的結構在整體機械構件中的坐標點位。機械結構創新中除了構件的形狀、尺寸、材料的設計，結構創新也是非常重要的一種方法。位置的改變直接影響機械構件裝配和執行功能，是創新設計中最直觀的表現，也是機械結構樣式的表達主體。位置設計遵循的是機械原理和理論力學，位置合理性的創新是機械結構創新設計中最璀璨的明珠。比如符合人體力學的曲線式座椅，會提高舒適性，被廣泛使用。

2.5 連接元素創新設計

連接元素是指構件和構件之間的連接機構，根據機械的結構、用途、工作特性的不同，選擇不同的連接方式，會給實際使用和維護帶來極大的便利，提高工作效率，獲得良好的評價，也為機械設計產品帶來更加寬廣的市場。比如工作強度不高，但使用頻率高的連接機構就要選擇靈活性和互換性強的連接方式。

2.6 數量元素創新設計

量變影響質變。由此可見，零件的數量在機械結構中也有著重要地位。設計零件數量時，務必需要根據實際情況和企業的需求量來制作。基于變元法，對零件的改變加工都依據最先進的技術來進行的，運用創新理念做出一定的優化。對數量的改變和調整，最終也會對機械結構和性能產生一定的影響。比如在對直線進行創新優化時，注重簡易性和適用性；對螺絲進行改變時，注重牢固性和穩定性。針對性的創新改革，對最終整體機械結構起到不可磨滅的功勞和積極作用，有效地提高了工作效率，用最優最少的零件來完成機械結構，合理減少消耗成本和資源，這也表現出了數量變元。

2.7 工藝元素創新設計

在所有材料種類，數量等等條件都相同的情況下，由于加工工藝的不一樣，在最后所展現出來的機械結構也都各不相同。由此可見，工藝對于機械結構來說也有著不可忽視的地位和作用。工藝變元法就是根據實際情況選擇合適的工藝來改善創新機械結構設計，聯系現在運用最先進的工藝來對材料進行加工合成。只有這樣，才能幫助材料發揮出其獨有的優勢，使得機械結構達到預期效果。

3 結語

機械結構創新設計不僅有以經驗為基礎的試驗創新，也有宏觀方法論的理論體系創新，無論哪一種，都是機械領域重要的創新設計方法，在面對實際結構問題時，經驗與方法論兩類創新思路既是相互彌補，也是相互檢測，只有兩者有機的結合，才是不斷提高機械創新設計的最佳方案。當然，隨著技術不斷發展，還會有更加巧妙的創新思路出現，這要依賴于科研工作者的不懈奮斗和努力，相信創新設計將是永恒的話題。