形態分析法在復雜機械零件表達中的應用

馬智英

（山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

形態分析法在復雜機械零件表達中的應用

馬智英

（山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

通過對美國加州理工學院茲維基博士“形態分析法”的介紹，總結出了其解決問題的要點。另外，對復雜零件表達在機械工程圖學教學中的重要地位和存在的典型問題進行了討論，并在對零件表達方案的構成要素和要素形態與該法進行類比分析的基礎上，提出將“形態分析法”應用于復雜零件的表達，由此建立了一套應用的程式和教學策略。這不僅為課程教學提供了解決問題的理論和方法，也將為學生的后續發展產生積極地影響。

形態分析法；復雜零件；表達方案；要素；形態

一、形態分析法

二次世界大戰時期，法西斯德國研制成功了帶脈沖發動機的F-1型巡航導彈和F-2型火箭，并將其作為核心機密。不甘落后的美國集中了一批優秀科學家進行火箭研制，在研制過程中，美國加州理工學院的茲維基博士首先分析了火箭必須具有的六個基本要素：1.使發動機工作的媒介物；2.與發動機相結合的推進燃料的工作方式；3.推進燃料的物理狀態；4.推進動力裝置的類型；5.點火的類型；6.做功的連續性。又分析了各基本要素具有的可能形態：1.有真空、大氣、水等四種；2.有靜止、移動、振動、回轉等四種；3.有氣體、液體、固體等三種；4.有內藏、外裝、沒有等三種；5.有自點火、外點火等兩種；6.有持續的、斷續的等兩種。然后運用數學中的排列組合原理，得到了4×4×3×3×2×2=576種火箭方案，其中包括了德國F-1型和F-2型的構造方案。最后美國輕而易舉地獲得了與德國同樣的先進方案，在軍備競賽中趕上了德國。這就是茲維基博士創造的形態分析法。

形態分析法的要點總結如下：

1.分析要素：分解對象為若干項獨立的基本構成要素；

2.分析形態：列舉各基本構成要素具有的可能形態；

3.排列組合：以基本要素和可能形態分別為列與行組成數學上的形態矩陣，再排列組合出可能的構造方案；

4.選取最佳：從多量的構造方案中選取最佳方案。

二、機械工程零件的表達

對機械類專業學生而言，在工程圖學課程中培養出來的零件表達能力，是后續進行專業基礎課程、專業課程學習的“學習基礎”，也是進行機械設計、實習的“實踐基礎”，更是畢業后從事產品設計、制造、技術開發、設備管理等方面工作不可或缺的“工作基礎”。其重要性，也充分體現在了歷屆“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽的題型上。

機械零件的應用與結構形狀千變萬化，但按結構特點可分四類：軸套類、輪盤蓋（回轉蓋）類、支架類、箱體類。在教學中，對于軸套類和輪盤蓋（回轉蓋）類零件，因結構較為簡單，按工程圖學一般的方法和特點確定其表達方案，學生容易掌握規律，非教學難點。而對于支架類和箱體類零件，因結構較為復雜和多變，若按工程圖學一般的方法和特點確定其表達方案，學生難以掌握規律，往往出現兩類典型問題：一是因為學生對各種表達方法理解不透徹，導致表達方法在表達方案中的應用混亂、甚至錯誤；二是確定出的表達方案數量單一，所以不能確定出最佳表達方案或不能自信為最佳表達方案。可以說，確定復雜零件的表達方案不僅是機械類工程圖學課程的教學重點，更是教學難點。

三、形態分析法應用于復雜零件的表達

分析零件表達方案，認為其由表達各組成部分外部結構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方案的構成要素，將視圖具有的表達方法視為要素形態，于是提出可將形態分析法應用于復雜零件的表達，以解決上述兩類典型問題。

如對圖1所示閥體確定表達方案，程式如下：

第一步：分析結構。

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，若零件具有傾斜的局部結構，還要選擇“斜視圖”。見圖2“選擇視圖”。底部小凸臺形狀特征為圓形，可通過其直徑尺寸的標注以反映形狀特征，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方法選擇

第三步：選擇表達方法（即分析形態）：以“將外部、內部結構表達完整、清楚”為原則，對第二步選擇的四個視圖從基本視圖、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方法形態。見圖2“選擇各種表達方法”。

第四步：排列組合：四個視圖可能的表達方法形態可以組成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個的表達方案，很多學生感覺不可思議。

第五步、確定最佳表達方案：依據確定零件表達方案的兩點原則“首先考慮看圖方便，需將所有結構表達完整、清楚”和“其次考慮畫圖方便，需采用數量少又簡單的圖形”，同時盡量避免表達重復，對照圖2逐一分析多量方案，就可以很容易地確定出1個或幾個最佳表達方案，例如1（3）①b、1（2）①a、2（2）①a、3（1）②a等。這個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方案：對最佳表達方案中的視圖和表達方法補充必要的標注，以完善最佳表達方案。如對1（3）①b、2（2）①a補充必要的標注，見圖3和圖4。

圖3 對1（3）①b表達方案補充必要的標注

圖4 對2（2）①a表達方案補充必要的標注

四、形態分析法應用于復雜零件表達的教學策略

（一）橫向拓寬

進行上述三中第二步時，引導學生橫向拓寬選擇視圖，拓寬順序為主視圖→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視圖，數量在橫向“夠用”為度。

（二）縱向挖掘

進行上述三中第三步時，鼓勵學生縱向挖掘，大膽地進行發散思維，對第二步所選擇視圖可以采用的各種表達方法，數量在縱向”充分“挖掘。

（三）思維激勵

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

（四）徒手表達

對所選擇的視圖和表達方法，建議學生采用徒手繪圖的方式以表達，格式如圖2，便于組成形態矩陣。根據具體零件的具體要求，只對最佳表達方案采用尺規繪圖或CAD繪圖方式以表達。

五、形態分析法應用于復雜零件表達的宏觀意義

形態分析法應用于復雜零件表達的微觀意義在于解決了教學過程中出現的典型問題，而宏觀意義在于：

1.幫助學生建立運用創造性思維方法解決問題的思想觀念。形態分析法被后人稱為創造技法，學生在熟練其基礎上，可以運用其解決學習、生活及工作中遇到的復雜問題。

2.訓練學生的創造性思維能力。第三點中第二步、第三步需要運用想象、聯想、發散思維形式，第五步需要運用集中思維甚至直覺思維形式，這些均為創造性思維形式，可以說形態分析法應用于零件表達，是學生較為系統地訓練和提高學生創造性思維能力的好機會。

3.提高學生現代工程技能。形態分析法應用于零件表達的同時，強調和強化學生徒手繪圖，可以奠定學生良好的后續學習基礎和現代工程素養。

［1］秦駿倫.創造學與創造性經營［M］.北京：中國人事出版社，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：機械工業出版社，2011：184-190.

［3］莊壽強.地質創造學導論［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2000：133-136.

［4］中川昌彥［日］.15種創造力［M］.成都：西南財經大學出版社，2001.

［5］王延吉.孔子的“是知也”和芝諾的圓［J］.中國大學教學，2011，245（1）：62-66.

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，山東理工大學農業工程與食品科學學院副教授，主要研究方向為現代工程圖學教育與教學，學生創造性思維培養。