創新設計在機械結構設計中的應用研究

王 博，鄧鵬程，李 淵，羅金成，鄒 輝

（1.北京航天發射技術研究所，北京 100000；2.航天系統部裝備部軍事代表局，北京 100000；3.四川新川航空儀器有限責任公司，四川德陽 618300）

目前，機械設備結構設計的研發和創新得到國家以及各個行業的普遍關注和廣泛重視，創新對于機械設計具有非常重要的意義，它是推動機械持續發展的原生動力，只有通過創新才能讓機械結構得到不斷改進和提升，才能更好的適應建設需求，才能滿足人們日益增長的工作和生活需要。

1 創新結構設計在機械結構設計中的應用

1.1 材料的變元

在對機械進行結構創新的設計中，一般需要根據各種類型結構選擇各種材料，在對制造材料進行選擇時，根據對制造材料進行變元能夠獲得許多意想不到的收獲。通過對制造材料的特殊性能進行改變，或是應用機械材料自身特性研發出具有更加可靠和更加穩定的結構設備。比如說對容易損壞的玻璃外表器件進行固定設計時，其設計結構可以針對材料在柔性及剛性方面的不同特征，設計研發一款可以增強光學敏感器件抵抗沖擊的機械結構，由此實現把光學敏感器件應用到具有較高的沖擊性振動的環境中來。

對容易壞損的器件做固定結構設計時，放棄較為傳統的剛性材料固定結構設計，而是選擇橡膠型的約束墊加以徑向式的固定，之后再利用金屬型的固定環及路線固定板對其進行軸向的固定結構設計。兩種性質不同的材料互為作用，即能夠實現對產品的內部空間有效利用，又能夠增強容易損壞器件對高振動及高沖擊環境的承受力。

1.2 數量的變元

在對機械的結構進行研發設計時，會經常遇到各種需要加以調整和完善的設計元素，其中結構變元法就是最簡單最基本的一種創新方法，即通過對結構中各種元素過行調整和完善，從而實現產品性能及品質的提升，應用這種變元法對機械設計進行創新是最常用也是有效的。比如說，在進行鑄件基本結構的研發設計時，為了不讓螺栓產生膠落，會選擇螺釘或是彈簧式的墊圈做為設計元件。以物理學基本理論為基礎看，使用這種設計辦法可以改變在結構設計中相關元素的選取數量。以便設計研發多種功能集于一身的機械零部件，不僅能夠對機械整體的結構設計起到有效的優化作用，還能有效節省機械產品的安裝過程。

1.3 尺寸的變元

在機械設備內部結構當中有各種不同大小的零部件，它們同整個設備的正常運行有著密切的聯系，對于零部件的生產規格和使用需求有相應的產業做支撐，也存在給機械設計帶來損壞的不利影響。如果要想避免出現以上各種問題，相關結構研發設計人員應根據實際科學合理的運用尺寸元素變元辦法，對設備零部件具體規格進行升級和完善，以便實現整體機械結構設計性能的有效提升。

1.4 工藝的變元

機械產品的制造質量取決于結構研發設計和制造技術。其設計研發人員根據變元法的基本理論，以每個機械的零部件所具備的基本性能和準確度以及安全保障作為基礎，進行相應結構的創新研發。按照機械工藝設計的制造標準，確保實現零部件的規格尺寸精準無誤，確保零部件的外觀達到美觀性要求，從而對產品的性能和質量加以保障。

1.5 TRIZ的創新結構設計

在對創新中遇到各種問題及困難時，首先要把所有限制的條件加以隔離，采用理想化思維對問題進行最終定義（idealfinal result，IFR），并以此對理想的解決方向及位置加以確定，從而確保在解決各種困難和問題時一直朝著即定方向及位置努力并最終取得理想的解決效果。由此可以有效防止傳統模式下的創新沒有目標的問題，從而有效的提高了設計創新的質量，推動了結構創新的進程。TRIZ 產品的設計創新能夠把比較復雜的問題轉化為簡單的問題，由此避免傳統設計中固化性思維以及單一性專業的知識影響，從而突破知識的邊界限制，實現跨領域和跨學科創新發展。

2 最佳優化的產品結構方案設計

以機械產品結構設計的創新方案而言，會對機械產品在實際中的應用效果造成影響，因此在對方案進行選擇時要給予充分的重視，也可以預先設計好多種結構方案，然后對這些方案進行對比和分析，最終選擇好最優方案，在科學合理的對設計研發方案進行分析后，做好方案的平價工作，在進行評價時要選擇合理、科學的方法，大都數情況下都采用綜合模糊評判的方法進行，并且在評定的過程中要對其社會效應、安全性能、維修保養、經濟效益及操作性等影響因素加以考慮。若是再將社會經濟等方面因素考慮進去，就要考慮機械產品是否容易出現障礙等；若是將經濟效益等指標因素考慮進去，就要考慮人員及成本兩個方面的因素；若是將可操作性因素考慮進去，就要考慮施工技術等方面因素，其中工藝技術是不是成熟是需要考慮的主要因素。綜合以上因素，在對產品結構進行設計時，需要針對產品的特征結果加以優化改善，這樣不但可以對機械產品加以調整，還能對產品結構的設計加以改進。另外針對結構中關鍵部分及其零倍件需要進行數學分析模型的搭建，以便能夠更有效的完成優化結構設計。利用模型將產品結構的各種特征加以全面反映，給產品的進一步改善和升級提供參考，實現對產品的綜合性改造。

3 機械產品結構的設計創新案例

本文在變元法基礎上，以TRIZ 創新結構設計變元法為例對其結構進行創新的研發設計。在TRIZ 理論中認為，相關創造性的問題中至少要包含一個方面的問題，主要類型分為技術型矛盾和物理型矛盾以及管理型矛盾。在機械產品的設計結構中，主要包含的矛盾有技術型矛盾和物理型矛盾，其中物理型矛盾指的是存在于系統內問題，是由個別參數的負向要求造成的；而技術型矛盾指的是存在于系統內問題，是由兩個參數造成。

通過TRIZ 分析后，如圖1所示，對矛盾點加以了確認，對于矛盾點利用各種因素的變元法對產品結構進行設計創新，并以此達到產品升級改造的目的。使用此法能夠有效提升單一元素變元法的研發效率及成功率。本文以在旋轉的情況下需要始終處于高壓力狀態的結構產品為例，此產品結構要求處在密封環境中仍具有高壓力，而且在旋轉時所受阻力要小，以便符合小電機的驅動要求。在對其進行設計創新時，要首先應用TRIZ 產品創新結構設計原理確認物理型矛盾是該產品密封的設計問題，也就是說要將密封的效果要達到一定的要求，同時也對旋轉所能承受的阻力給出最低標準。當矛盾的具體目標及方向得到確定后，采取TRIZ 產品創新理論當中的“復合結構材料”，并用其替換掉均質性的結構材料，同時與變元法相結合對機械結構進計設計創新，表1是密封圈硬度、壓縮量、壓力關系。

圖1 TRIZ設計創新的理論

表1 密封圈硬度、壓縮量、壓力關系表

在旋轉的密封的設計結構當中，經常會用到O型圈對結構進行密封，當這種密封圈受到壓力導致變形后產生自封密效果，從而起到非常不錯的密封作用。可是當O 型圈在受到壓力產生變形以后，由于橡膠自身的材質特征與接觸面的增加，容易導致出現比較大的摩擦力。采取改變產品材料的特殊性來實現結構設計創新，

相關O 型圈參數計算公式：

密封圈壓縮率的計算：

公式中：h0表示的是槽底到密封平面之間距離，單位：mm。ε 表示的是壓縮率。d0表示的是密封圈截面直徑，單位：mm。

密封圈拉伸量計算：

公式中：d 表示的是軸徑，單位：mm。d1表示的是O 型圈內徑，單位：mm。d0表示的是O 型圈截面的直徑，單位：mm。

O 型圈設計選擇必須滿足一下三個條件：①密封圈必須具有足夠接觸的面積。②摩擦盡可能小。③材料應達到使用持久不變形。

具體情況見下圖2展示：

圖2 O型圈設計

在O 型圈整個直徑的一半都涂覆具有摩擦小的一種聚氟乙烯（保護材料，從而達到對O 型圈材質進行改變的目的。如下圖3所展示的，在結構進行旋轉時，O 型圈在自密封的作用下能夠達到高壓環境中的密封要求，選用的PTFE 材質由于具有較低的摩擦力，因此也會起到降低旋轉所受阻力的作用。

圖3 旋轉創新結構設計

通過以上實驗以及相應計算，選擇普通材質的O型橡膠圈設計結構，在高壓始終處于30 MPa 的環境中，旋轉所受扭力是2.7 N。當選擇PTFE 涂覆材質進行O 型圈改造設計后，在高壓始終處于30 MPa 的環境中，旋轉所受扭力只有0.38 N，可見已經很好的實現了設計創新目標。

4 結束語

我國目前在機械產品研發和制造方面，還存在許多問題和需要改進的地方，所以，要求從事機械產品結構設計的人員在進行結構設計創新的過程當中，要從實際出發充分結合產品特征創新產品結構，要在產品結構設計中突破傳統思維的束服，不斷拓展創新理念，科學合理的應用參數變元方法，設計創新出即實用又經濟的機械產品，從而實現機械設備的社會效應和經濟效應，推動機械產品制造的進步和發展。