形態(tài)分析法在復(fù)雜機(jī)械零件表達(dá)中的應(yīng)用

馬智英

（山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

形態(tài)分析法在復(fù)雜機(jī)械零件表達(dá)中的應(yīng)用

馬智英

（山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

通過對(duì)美國(guó)加州理工學(xué)院茲維基博士“形態(tài)分析法”的介紹，總結(jié)出了其解決問題的要點(diǎn)。另外，對(duì)復(fù)雜零件表達(dá)在機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)中的重要地位和存在的典型問題進(jìn)行了討論，并在對(duì)零件表達(dá)方案的構(gòu)成要素和要素形態(tài)與該法進(jìn)行類比分析的基礎(chǔ)上，提出將“形態(tài)分析法”應(yīng)用于復(fù)雜零件的表達(dá)，由此建立了一套應(yīng)用的程式和教學(xué)策略。這不僅為課程教學(xué)提供了解決問題的理論和方法，也將為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極地影響。

形態(tài)分析法；復(fù)雜零件；表達(dá)方案；要素；形態(tài)

一、形態(tài)分析法

二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，法西斯德國(guó)研制成功了帶脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的F-1型巡航導(dǎo)彈和F-2型火箭，并將其作為核心機(jī)密。不甘落后的美國(guó)集中了一批優(yōu)秀科學(xué)家進(jìn)行火箭研制，在研制過程中，美國(guó)加州理工學(xué)院的茲維基博士首先分析了火箭必須具有的六個(gè)基本要素：1.使發(fā)動(dòng)機(jī)工作的媒介物；2.與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的推進(jìn)燃料的工作方式；3.推進(jìn)燃料的物理狀態(tài)；4.推進(jìn)動(dòng)力裝置的類型；5.點(diǎn)火的類型；6.做功的連續(xù)性。又分析了各基本要素具有的可能形態(tài)：1.有真空、大氣、水等四種；2.有靜止、移動(dòng)、振動(dòng)、回轉(zhuǎn)等四種；3.有氣體、液體、固體等三種；4.有內(nèi)藏、外裝、沒有等三種；5.有自點(diǎn)火、外點(diǎn)火等兩種；6.有持續(xù)的、斷續(xù)的等兩種。然后運(yùn)用數(shù)學(xué)中的排列組合原理，得到了4×4×3×3×2×2=576種火箭方案，其中包括了德國(guó)F-1型和F-2型的構(gòu)造方案。最后美國(guó)輕而易舉地獲得了與德國(guó)同樣的先進(jìn)方案，在軍備競(jìng)賽中趕上了德國(guó)。這就是茲維基博士創(chuàng)造的形態(tài)分析法。

形態(tài)分析法的要點(diǎn)總結(jié)如下：

1.分析要素：分解對(duì)象為若干項(xiàng)獨(dú)立的基本構(gòu)成要素；

2.分析形態(tài)：列舉各基本構(gòu)成要素具有的可能形態(tài)；

3.排列組合：以基本要素和可能形態(tài)分別為列與行組成數(shù)學(xué)上的形態(tài)矩陣，再排列組合出可能的構(gòu)造方案；

4.選取最佳：從多量的構(gòu)造方案中選取最佳方案。

二、機(jī)械工程零件的表達(dá)

對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生而言，在工程圖學(xué)課程中培養(yǎng)出來的零件表達(dá)能力，是后續(xù)進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程學(xué)習(xí)的“學(xué)習(xí)基礎(chǔ)”，也是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)的“實(shí)踐基礎(chǔ)”，更是畢業(yè)后從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)開發(fā)、設(shè)備管理等方面工作不可或缺的“工作基礎(chǔ)”。其重要性，也充分體現(xiàn)在了歷屆“高教杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽的題型上。

機(jī)械零件的應(yīng)用與結(jié)構(gòu)形狀千變?nèi)f化，但按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分四類：軸套類、輪盤蓋（回轉(zhuǎn)蓋）類、支架類、箱體類。在教學(xué)中，對(duì)于軸套類和輪盤蓋（回轉(zhuǎn)蓋）類零件，因結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，按工程圖學(xué)一般的方法和特點(diǎn)確定其表達(dá)方案，學(xué)生容易掌握規(guī)律，非教學(xué)難點(diǎn)。而對(duì)于支架類和箱體類零件，因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和多變，若按工程圖學(xué)一般的方法和特點(diǎn)確定其表達(dá)方案，學(xué)生難以掌握規(guī)律，往往出現(xiàn)兩類典型問題：一是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)各種表達(dá)方法理解不透徹，導(dǎo)致表達(dá)方法在表達(dá)方案中的應(yīng)用混亂、甚至錯(cuò)誤；二是確定出的表達(dá)方案數(shù)量單一，所以不能確定出最佳表達(dá)方案或不能自信為最佳表達(dá)方案。可以說，確定復(fù)雜零件的表達(dá)方案不僅是機(jī)械類工程圖學(xué)課程的教學(xué)重點(diǎn)，更是教學(xué)難點(diǎn)。

三、形態(tài)分析法應(yīng)用于復(fù)雜零件的表達(dá)

分析零件表達(dá)方案，認(rèn)為其由表達(dá)各組成部分外部結(jié)構(gòu)形狀特征的視圖組成，有基本視圖和斜視圖，而視圖具有的表達(dá)方法主要有局部視圖、剖視圖、斷面圖等或仍為視圖。將視圖視為零件表達(dá)方案的構(gòu)成要素，將視圖具有的表達(dá)方法視為要素形態(tài)，于是提出可將形態(tài)分析法應(yīng)用于復(fù)雜零件的表達(dá)，以解決上述兩類典型問題。

如對(duì)圖1所示閥體確定表達(dá)方案，程式如下：

第一步：分析結(jié)構(gòu)。

第二步：選擇視圖（即分析要素）：以“明顯反映各組成部分形狀特征”為原則，從六“基本視圖”中，選擇必需的幾個(gè)，若零件具有傾斜的局部結(jié)構(gòu)，還要選擇“斜視圖”。見圖2“選擇視圖”。底部小凸臺(tái)形狀特征為圓形，可通過其直徑尺寸的標(biāo)注以反映形狀特征，所以不予選擇仰視圖。

圖1 閥體

圖2 閥體的視圖選擇和表達(dá)方法選擇

第三步：選擇表達(dá)方法（即分析形態(tài)）：以“將外部、內(nèi)部結(jié)構(gòu)表達(dá)完整、清楚”為原則，對(duì)第二步選擇的四個(gè)視圖從基本視圖、局部視圖、剖視圖、斷面圖等方面選擇“盡可能多的可以采用的表達(dá)方法形態(tài)。見圖2“選擇各種表達(dá)方法”。

第四步：排列組合：四個(gè)視圖可能的表達(dá)方法形態(tài)可以組成1（1）①a、1（1）①b、1（1）②a、1（1）②b、1（1）③a、1（1）③b...... 3（3）③a、3（3）③b至少為3×3×3×2=54個(gè)的表達(dá)方案，很多學(xué)生感覺不可思議。

第五步、確定最佳表達(dá)方案：依據(jù)確定零件表達(dá)方案的兩點(diǎn)原則“首先考慮看圖方便，需將所有結(jié)構(gòu)表達(dá)完整、清楚”和“其次考慮畫圖方便，需采用數(shù)量少又簡(jiǎn)單的圖形”，同時(shí)盡量避免表達(dá)重復(fù)，對(duì)照?qǐng)D2逐一分析多量方案，就可以很容易地確定出1個(gè)或幾個(gè)最佳表達(dá)方案，例如1（3）①b、1（2）①a、2（2）①a、3（1）②a等。這個(gè)過程可以是邏輯的分析、判斷過程，也可以是非邏輯的直覺思維過程。

第六步完善最佳表達(dá)方案：對(duì)最佳表達(dá)方案中的視圖和表達(dá)方法補(bǔ)充必要的標(biāo)注，以完善最佳表達(dá)方案。如對(duì)1（3）①b、2（2）①a補(bǔ)充必要的標(biāo)注，見圖3和圖4。

圖3 對(duì)1（3）①b表達(dá)方案補(bǔ)充必要的標(biāo)注

圖4 對(duì)2（2）①a表達(dá)方案補(bǔ)充必要的標(biāo)注

四、形態(tài)分析法應(yīng)用于復(fù)雜零件表達(dá)的教學(xué)策略

（一）橫向拓寬

進(jìn)行上述三中第二步時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生橫向拓寬選擇視圖，拓寬順序?yàn)橹饕晥D→俯視圖→左視圖→右視圖→后視圖→仰視圖→斜視圖，從中選擇必需的能夠反映清楚各組成部分形狀特征的幾個(gè)視圖，數(shù)量在橫向“夠用”為度。

（二）縱向挖掘

進(jìn)行上述三中第三步時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生縱向挖掘，大膽地進(jìn)行發(fā)散思維，對(duì)第二步所選擇視圖可以采用的各種表達(dá)方法，數(shù)量在縱向”充分“挖掘。

（三）思維激勵(lì)

組織課堂4人小組討論，主要目的是通過多人思維的交流，讓學(xué)生思維相互”啟發(fā)“激勵(lì)，以取得多量的表達(dá)方法形態(tài)。

（四）徒手表達(dá)

對(duì)所選擇的視圖和表達(dá)方法，建議學(xué)生采用徒手繪圖的方式以表達(dá)，格式如圖2，便于組成形態(tài)矩陣。根據(jù)具體零件的具體要求，只對(duì)最佳表達(dá)方案采用尺規(guī)繪圖或CAD繪圖方式以表達(dá)。

五、形態(tài)分析法應(yīng)用于復(fù)雜零件表達(dá)的宏觀意義

形態(tài)分析法應(yīng)用于復(fù)雜零件表達(dá)的微觀意義在于解決了教學(xué)過程中出現(xiàn)的典型問題，而宏觀意義在于：

1.幫助學(xué)生建立運(yùn)用創(chuàng)造性思維方法解決問題的思想觀念。形態(tài)分析法被后人稱為創(chuàng)造技法，學(xué)生在熟練其基礎(chǔ)上，可以運(yùn)用其解決學(xué)習(xí)、生活及工作中遇到的復(fù)雜問題。

2.訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。第三點(diǎn)中第二步、第三步需要運(yùn)用想象、聯(lián)想、發(fā)散思維形式，第五步需要運(yùn)用集中思維甚至直覺思維形式，這些均為創(chuàng)造性思維形式，可以說形態(tài)分析法應(yīng)用于零件表達(dá)，是學(xué)生較為系統(tǒng)地訓(xùn)練和提高學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的好機(jī)會(huì)。

3.提高學(xué)生現(xiàn)代工程技能。形態(tài)分析法應(yīng)用于零件表達(dá)的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)和強(qiáng)化學(xué)生徒手繪圖，可以奠定學(xué)生良好的后續(xù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和現(xiàn)代工程素養(yǎng)。

［1］秦駿倫.創(chuàng)造學(xué)與創(chuàng)造性經(jīng)營(yíng)［M］.北京：中國(guó)人事出版社，1995：97-100.

［2］王蘭美，殷昌貴.畫法幾何及工程制圖（第3版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：184-190.

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We summarize the key point to solve through introducing the morphological analysis of Dr.Zwicky in California Institute of Technology.In addition，the important position of the expression of complex parts in the teaching of mechanical engineering graphics and existing typical problems are discussed.It proposes that morphological analysis should be applied to the expression of complex parts on the basis of analogy analysis between components and forms of components of the expression of complex parts and morphological analysis.Therefore，we can establish an application program and teaching strategies.It not only provides problem-solving theory and method for class teaching，but also produces positive influence on students' following development.

morphological analysis；complex parts；expression program；components；form

G642

A

2096-000X（2016）20-0257-03

馬智英（1965-），女，山東壽光人，本科，山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代工程圖學(xué)教育與教學(xué)，學(xué)生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)。