創新設計在機械結構設計中的應用

摘 要：21世紀是科技創新的時代，創新設計已經深入到許多領域，特別是機械結構設計領域，創新思想已經不再是神秘話題，創新設計在機械結構設計中的應用得到了全面發展。

關鍵詞：機械結構設計;應用;創新設計

從工業革命以來，在二百多年的工業化進程中，創新設計一直是推動和發展前沿技術的永恒動力，創新設計既是發展生產力的源泉，也是生產力發展的結果。技術的創新會帶來產品的更新優化，也會創造出全新的科技成果。創新成果離不開創新設計，而創新設計的方法和思維來源，更是創新設計的核心問題，特別是在機械結構設計當中，創新設計思維的應用是一直不斷探索的課題。

一、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。因此設計創新是為提高構件的強度、剛度、耐磨性等指標，對結構的進一步優化。

二、創新設計在機械結構設計中的應用方式

（一）機械結構創新設計中的變元法

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。

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.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。

3.材料元素創新設計

機械結構能否達到性能指標，絕大多數由機械材料來決定，材料的選擇直接影響機械構件形狀、尺寸以及加工工藝的選擇。因此，選擇強度、剛度、可塑性等性能更加優良的材料，可以實現機械結構創新上的巨大飛躍。飛機機翼一般選擇鋁合金作為材料，但由于鋁的強度有限，降低了飛機的載荷能力。而隨著鈦合金材料的誕生，同樣厚度的機翼，強度遠遠大于鋁合金，同時降低戰斗機自重，提高載荷系數，增強戰斗力。

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。

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。

（二）TRIZ設計創新理論

TRIZ理論闡述了發明問題的核心：解決沖突。沖突就是在達到預期目標同時還要滿足非唯一條件的問題，解決沖突的原則就是改進系統中任一結構或性能的同時，不能對同一系統中的相鄰結構或性能產生不良作用。沖突分兩類，一類，是物理沖突，物理沖突是指，要求其中的某子系統做出與子系統性能相反的行為時產生的沖突，這導致系統中的某部分同時出現兩種完全相反的行為或狀態，這一問題是由一個系統指數的變動而產生的。另一類，是技術沖突，這是指系統中增強某一部分的性能而對系統產生了有害或利害各半的結果，或者，有益元素的的加入或有損元素的清除引起他的子系統消極變化，技術沖突是由兩個系統性能指數導致的。

三、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。

參考文獻：

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作者簡介：董燕（1984-），女，漢族，江西新余人，本科，高職講師，研究方向：機械設計制造及自動化。