機械結構的創新設計及其優化

董立占（黑龍江農業職業技術學院,黑龍江　佳木斯　154002）

機械結構的創新設計及其優化

董立占
（黑龍江農業職業技術學院,黑龍江佳木斯154002）

摘要：本文介紹了機械結構創新的變元法的七種方式，通過實例來闡述各種變元法的應用和功能。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化，進而實現整個機械結構的完善創新和綜合優化。

關鍵詞：機械結構；優化設計；創新

1　結構創新設計新方法—變元法

結構設計作為機械設計過程中至關重要的組成部分，所完成的工作是按照的機械原理進行機械圖紙的設計。變元法是由德國科學家發明的方法，主要應用于機械相關設備的結構圖紙的設計，其特點是具有創新性。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用和理解。變元法在機械行業及相關領域有較為廣泛的應用。我們在使用變元法的完成結構設計的過程中，是以完成這種產品的基本結構為前提，再進行其他新型設計思路的研發。

變元法的含義主要包含兩個方面：一方面，機械結構方面，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，創新性的實現不同種類的結構設計。以下是對7個變元的闡述：

1.1數量變元

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

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構的外形和重要輪廓、加工表面以及所使用零部件的種類和尺寸進行優化調整，進而得出多種結構的創新設計，從而對整個機械進行優化調整。機械設計過程中這類因素的創新是把機械設備的運行原理轉化為設計圖紙的過程。例如，火力發電廠的冷渣機，為了能夠把高溫爐渣以最快的速度降低溫度，技術人員采用了形狀變元的方法對冷渣機進行優化設計，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，進而生產工藝也會相應的變化，以至于改變了整體機械的外形和構造。我們可以針對材料的改變而設計出多種類型的構造方案。

1.4位置變元

位置變元指的是按照機械設備的構造位置的改變，實現多種類型設計方案的形成。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聯接變元

聯接變元指的是在設計過程中應該注意元素的兩個方面：一方面，我們需要確定元素聯接方法的改變。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接方式的不同類型的聯接結構的創新，進而得到不同類型的方案。例如，兒童玩具在設計過程中要盡量做到安全聯接，我們可以設計成卡扣聯接方式，這樣不容易出現小孩誤食螺絲的現象。

1.6尺寸變元

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

1.7工藝變元

設計和工藝的關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，各類零部件與設備的加工和制造質量、生產周期、成本和使用年限也千差萬別，進而制約著設備產品的構造。按照相應產品的工藝特性，結合使用以上7類變元，按照進行

根據所設計機械產品的特點,靈活地運用上述7個變元,同時設計者依據所具備的知識、經驗,運用創造性思維方法,如類比、推理、歸納、模擬、想象、直覺及靈感等,可構思出很多種結構方案。

2　　精密儀器與精密機械結構創新的必要性

當今社會是科技高速發展的時代，測量設備和機械構造的設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企業對適應性和才能的要求，成為我們大家亟待思考的問題。因此，在進行實習設計的課程教學過程中，引入前沿的、適應企業需求的人才培養方法和相應的實習方式和裝備變成了必須考慮的問題。所有的測量設備或控制裝置都具有相應的適應所在系統需求的系統或構造，那么在測量設備、控制裝置確定的機械結構設計需求的基礎上，如何使用先進的設計思路和多種類型的機械構造構件進行優化整合，建造適應系統需求的高端機械構件，是我們當前工程設計的重要方法。

根據企業對人員的需求，按照建造機械系統和構造的整個階段，依據以往的經驗，側重對機械設計的基礎內容、方式、理念的研究；注重對系統構造的探索；注重研究、分析問題的方式方法和創新水平的提升。建立一整套面向企業所需求的能夠操作精密設備和高科技儀器人才的培養方式非常重要。

3　結構方案的評價與優化

為了得到最優化的方案，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所有方案的評判。首先選定的評判指標是在構造方案的性能標準、經濟效益、可實現性、保養維修以及技術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，針對整個系統中主要的零件和構件建立模型，通過對數學模型的的計算完成模型的優化設計。在建立數學模型的過程中，完善數學模型以達到盡量復合機構的運動特征，這樣的數學模型得到的數據結果能夠為機械結構的研究分析和產品優化提供更為真實準確度數據，最終實現產品結構的最佳結構設計。

數學模型可以表達機械構造中的各類變元，但是也有一些變化是不能夠或者較難描述。當我們在優化設計中過度的依靠數學模型的數據，那么我們就被模型所局限而不能實現真正意義上的完善合理的優化設計，同時也很難被應用在實踐當中。另外，我們還應該針對機械結構中的主要零件或者構件進行可靠性和有限元方面的研究分析，針對機械系統中的轉動件和力矩分析，來實現從多角度為機械設備結構進行全方位的優化分析，來實現優化設計的創新研究。

參考文獻：

[1]陳小強.劉京誠精密機械結構設計創新實驗[J].實驗技術與管理，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。