第2章機械現(xiàn)代設計與創(chuàng)新設計2.2創(chuàng)新設計2.1現(xiàn)代設計的概念2.1現(xiàn)代

1、第2章 機械現(xiàn)代設計 與創(chuàng)新設計,2.2 創(chuàng)新設計,2.1 現(xiàn)代設計的概念,2.1 現(xiàn)代設計方法,2.1.1 現(xiàn)代設計的概念2.1.1.1 設計 人類在改造自然的歷史長河中，一直都在不斷地進行設計活動。設計是復雜的思維過程，設計過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明的機會。設計是根據(jù)客觀的需求，提高人們的創(chuàng)造性思維，將指定的任務轉化為滿足該任務要求的技術系統(tǒng)的一種活動。設計不僅只是

2、圍繞產品圖紙和有關文件進行的一系列工作，其目的是將預定的目標，經過一系列規(guī)劃與分析決策，產生一定的信息（文字、數(shù)據(jù)、圖形），形成設計。設計是把各種先進技術轉化為生產力的一種手段，是先進生產力的代表，反映了社會的生產力水平。,2.1.1.2 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計 傳統(tǒng)設計即常規(guī)設計，傳統(tǒng)設計分為初步設計、技術設計、施工設計三個步驟。傳統(tǒng)設計往往采用類比法、經驗法、模仿法，它的思維方式是收斂式思維，多是利用設計手冊中有

3、關數(shù)據(jù)，采用較大安全系數(shù)，強調零部件計算。傳統(tǒng)設計法的優(yōu)點是比較簡單，設計費用低廉。傳統(tǒng)設計面向的問題偏重于技術。 現(xiàn)代設計是將傳統(tǒng)設計中的經驗、類比法設計提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設計方法，是在靜態(tài)分析的基礎上，進行動態(tài)多變量的最優(yōu)化?，F(xiàn)代設計既體現(xiàn)了更高層次的學科，又是方法科學。,現(xiàn)代設計主要面向功能目標，將技術、經濟和社會環(huán)境因素結合在一起統(tǒng)籌考慮，把設計作為系統(tǒng)工程對待，強調創(chuàng)造能力的開發(fā)，注重綜合分析

4、的設計，重視設計方案的選擇，考慮對多種方案的評價，其思維方式是發(fā)散型的思維?，F(xiàn)代設計是學科綜合化、統(tǒng)一化在方法科學上的一次突破，它是一門新興的交叉學科?，F(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計比較，有下列幾個特征： （1）系統(tǒng)性。把設計對象看作一個系統(tǒng)，同時考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，用系統(tǒng)工程概念進行分析和綜合，通過功能分析、系統(tǒng)綜合等方法，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，使人機之間的功能相互協(xié)調。 （2）創(chuàng)造性。現(xiàn)代設計強調創(chuàng)造能力開發(fā)和充分發(fā)揮人的

5、創(chuàng)造性；重視原理方案的設計、開發(fā)和創(chuàng)新產品。只有創(chuàng)新才能有所發(fā)明。但是，今天的科學技術已經高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術基礎上的綜合。有的新產品是根據(jù)別人的研究實驗結果而設計，有的是博采眾長，加以巧妙地組合。,（3）綜合性。在設計過程中，綜合考慮、分析市場需求、設計、生產、管理、使用、銷售等各方面的因素；綜合運用優(yōu)化及系統(tǒng)工程、可靠性理論、價值工程、技術等學科的知識，探索多種解決設計問題的科學途徑。 （4）程式性。研究設計

6、的一般進程，包括一般設計戰(zhàn)略和用于設計各個具體部分的戰(zhàn)術方法。要求設計者從產品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計到實驗、試制，按步驟有計劃地進行設計。,2.1.2 現(xiàn)代設計方法的特點和范疇 現(xiàn)代設計方法是現(xiàn)代廣義設計和分析科學方法學的簡稱，現(xiàn)代設計方法實質上是科學方法論在設計中的應用。冠以“現(xiàn)代”二字是為了強調以引起重視，其實有些方法也并非是現(xiàn)代的。經分析，可歸納為下列具有普遍意義的方法： （1）信息

7、論方法，如信息分析法，技術預測法等，它們是現(xiàn)代設計方法的前提。 （2）系統(tǒng)論方法，如系統(tǒng)分析法，人機工程等。 （3）控制論方法，如動態(tài)分析法等。 （4）優(yōu)化論方法，如優(yōu)化設計等，它是現(xiàn)代設計法的目標。 （5）對應論方法，如相似設計等。 （6）智能論方法，如計算機輔助設計、計算機輔助計算等。,（7）壽命論方法，如可靠性和價值工程等。 （8）離散論方法，如有限元及邊界元

8、方法等。 （9）模糊論方法，如模糊評價和決策等。 （10）突變論方法，如創(chuàng)造性設計等，它是現(xiàn)代設計法的基礎。 （11）藝術論方法，如藝術造型等。,CAD等許多專題的培訓班和討論會，并在高校開設有關現(xiàn)代設計方法等專題課程。德國、瑞士的學者比較重視設計程序的研究：明確設計任務，對設計任務進行抽象化的功能分析和求解（設計目錄），將開發(fā)新產品的內容要求轉化為產品圖紙。這種方法思路清晰。 英國自

9、1963年開始提出工程設計思想后，廣泛開展設計競賽，加強設計過程中的創(chuàng)造性開發(fā)和技術可行性、可靠性、價值分析方面的研究，從而改變了設計水平低的局面。 日本自1960年以來開始有關現(xiàn)代設計方法的研究，提高設計人員素質，開展工程技術教育?，F(xiàn)在日本在產品開發(fā)中的更新速度受到全世界的關注，其產品的競爭能力已給許多國家造成巨大威脅。,美國的學者強調“創(chuàng)造性設計”，提倡設計中創(chuàng)造能力的開發(fā)，把設計活動分為創(chuàng)造—分析—決策三個步驟。在

10、美國的設計工作中,產品設計圖紙基本上由計算機繪制，設計者可以擺脫常規(guī)的技術工作，集中精力進行創(chuàng)造性設計。我國對現(xiàn)代設計方法的研究是從上世紀80年代開始的，通過派留學生到國外進修學習和請國外專家來講學，組織各種類型的講習班，培訓班、開展國內外學術交流等，來推廣和普及現(xiàn)代設計的基本知識。由于世界各國對設計方法的研究越來越重視，目前已成為一項國際性學術活動。有關國家組織了關于現(xiàn)代設計方法的國際會議，比如國際工程設計會議（ICED）就是其中之一

11、。,2.1.4 現(xiàn)代設計方法簡介2.1.4.1 優(yōu)化設計 優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計方法的重要內容之一，它以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，以電子計算機為工具，在充分考慮各種設計約束的前提下，尋求滿足某些預定目標的最優(yōu)設計方案。優(yōu)化設計建立在最優(yōu)化數(shù)學理論和現(xiàn)代計算技術基礎之上，其任務是應用計算機自動確定工程設計的最優(yōu)方案。優(yōu)化設計的關鍵是建立數(shù)學模型和選擇優(yōu)化方法。,（1）優(yōu)化設計的數(shù)學模型 設計變量、目標

12、函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設計數(shù)學模型的三個要素。 ①設計變量 設計變量是一些相互獨立的基本參數(shù)?；緟?shù)是一些對該項設計性能指標好壞有影響的量。設計時，設計變量是待定的參數(shù)。若有n個設計變量，一般表示為： X=[x1,x2,….,xn]T ②目標函數(shù) 目標函數(shù)是設計變量的函數(shù)，即

13、 f(X)=f(x1,x2,….,xn) 在設計過程中要求尋找出使目標函數(shù)取得極小值（或極大值）的設計方案。,③約束條件 約束條件是對設計變量的取值給予某些限制的數(shù)學關系式。約束條件可分為邊界約束和性能約束兩類。邊界約束是考慮設計變量的取值范圍，而性能約束是由某種性能設計要求推導出來的一種約束條件。此外，約束條件又可分為等式約束和不等式約束兩類。工程中實際優(yōu)化問題的數(shù)學模型可表示為：

14、 求X=[x1,x2,….,xn]T，使 minf(X)=f(x1,x2,….,xn)X?Rn s.t. gi(X)?0(i=1,2,…,p) hj(X)=0(j=1,2,…,q),（2）優(yōu)化方法 優(yōu)化設計數(shù)學模型建立后，必須應用優(yōu)化方法進行求解，工程優(yōu)化設計對數(shù)學模型的求解均用數(shù)值計算方法，其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解時，從某一初始點出發(fā)，利

15、用函數(shù)在某一局部區(qū)域的性質和信息，確定每一迭代步驟的搜索方向和步長，去尋找新的迭代點，這樣一步一步地重復數(shù)值計算，用改進后的新設計點替代老設計點，逐步改進目標函數(shù)，并最終逼近極值點。 我國現(xiàn)已開發(fā)了先進的OPB優(yōu)化方法程序庫和常用機械零部件及機構優(yōu)化設計程序庫，為推廣和普及優(yōu)化設計創(chuàng)造了條件。,2.1.4.2 變型產品設計 為了滿足使用者的不同要求，可在原有產品基礎上進行變型產品的開發(fā)，使零件標準化、部件

16、通用化、產品系列化。 變型產品系列包括：縱系列產品（其功能、原理、結構相同，而尺寸、性能參數(shù)不同) ,橫系列產品（在基型產品基礎上擴展功能的變型產品）和跨系列產品（具有相近動力參數(shù)的不同類型產品）。 縱系列產品設計也稱相似系列產品設計，是在基型產品的基礎上利用相似理論求各擴展型產品的尺寸和參數(shù)?；彤a品一般選在系列產品的中檔，為常用型號。,,系列產品是指具有相同功能、相同結構方案，相同或相似加工工藝，且各

17、產品相應的尺寸參數(shù)及性能指標具有一定級差（公比）的產品。 在系列產品設計中，一般有兩種造型原理：幾何級數(shù)的幾何相似產品系列和幾何級數(shù)的半相似產品系列。相似系列產品設計的步驟依次是基型設計、確定相似類型、定各尺寸、參數(shù)級差（相似比），求各擴展型產品尺寸參數(shù)及確定全系列產品結構尺寸等。,2.1.4.3 價值工程設計 設計的目標是在滿足功能需求的前提下，提高產品的價值。價值是產品功能與成本的綜合反映，即

18、 式中，V——產品的價值（實用價值）； F——產品具有的功能； C——實現(xiàn)該功能所耗費的成本。,,,在第二次世界大戰(zhàn)后，美國開展了關于價值分析和價值工程的研究，發(fā)現(xiàn)了顧客所需要的不是產品的本身而是其功能。把價值看作某一功能與實現(xiàn)此功能所需成本的比，考慮到提高產品價值，產品設計也就成為使用最低成本向用戶提供必要功能的問題。 如美國通用電氣公司在開發(fā)產

19、品時注意從功能分析著手，實現(xiàn)必要功能，去除多余功能和過剩功能，既滿足了用戶需要又降低了成本。該公司17年內在價值分析方面投入了80萬美元的費用，卻獲得了2億多美元的利潤。50年代后期開始，價值工程在日本、德國及其他國家也得到了廣泛的應用，并取得了良好的經濟效益。日本佳能照相機公司運用價值工程方法，于1976年開發(fā)出35毫米的AE-1型照相機，這種照相機采用大規(guī)模的集成電路，能自動調節(jié)光圈和快門、自動卷片、連續(xù)攝影，性能大大超過了同類產品

20、，而售價卻低20%，投入市場后很受歡迎。,,,通過上面的簡介可以看出，現(xiàn)代設計方法具有系統(tǒng)化、優(yōu)化、動態(tài)化和內在質量與外觀質量統(tǒng)一等特征。當前設計領域正面臨著“傳統(tǒng)設計”向“現(xiàn)代設計”過渡，通過推廣現(xiàn)代設計方法，開發(fā)大批構思新穎的新產品，提高我國機電產品的性能、質量和可靠性。,2.2 創(chuàng)新設計,2.2.1 引言 江澤民總書記多次強調創(chuàng)新的重要性，他指出：創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力。一個沒有創(chuàng)

21、新能力的民族，難以屹立于世界民族之林。任何一項工作的活力和生計都來自于發(fā)展和創(chuàng)新。 中華民族是富有創(chuàng)造性的民族，遠在古代已有指南針、火藥、印刷、造紙四大發(fā)明；此外還有記里鼓車、氣象觀測、地震預測等許多技術都處于世界領先地位。新中國成立后，我國科技工作者艱苦奮斗，取得了“兩彈一星”、萬噸水壓機等科技成就，光纖之父高錕在20世紀60年代就提出用光纖傳遞信息的設想。,,創(chuàng)新是技術和經濟發(fā)展的原動力，是國民經濟發(fā)展的重要因素。當

22、今世界各國之間在政治、軍事和科學技術方面的劇烈競爭，實質上是人才的競爭，而人才競爭的關鍵是人才創(chuàng)造能力的競爭。創(chuàng)造強調新穎性和獨特性，而創(chuàng)新是創(chuàng)造的某種實現(xiàn)。 21世紀科技創(chuàng)新是社會和經濟發(fā)展的主導力量。世界各國綜合國力競爭的核心是知識創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和高新技術產業(yè)化。加強技術創(chuàng)新、發(fā)展高科技、實現(xiàn)產業(yè)化是一項系統(tǒng)工程，對提高國民經濟質量和效益，提高我國國際競爭力有決定性的意義。,2.2.2 創(chuàng)新設計 設

23、計是為了滿足人類和社會需求而進行創(chuàng)造性思維的實踐過程。隨著社會的發(fā)展，人們的需求將有所變化，原來那些能滿足需求的產品，經過一段時間后可能會變成不能滿足客觀需要，因此需要對產品改進設計，不斷更新老產品，創(chuàng)造新產品，要求設計師的設計成果前所未有，具有新穎性和獨創(chuàng)性。,2.2.3 創(chuàng)新設計的特點和類型1．創(chuàng)新設計的特點（1）獨創(chuàng)性 獨創(chuàng)性體現(xiàn)為敢于提出與前人、眾人不同的見解，敢于打破一般思維的常規(guī)慣例，尋找更合理的新原

24、理、新機構、新功能、新材料，獨創(chuàng)性能使設計方案標新立異，不斷創(chuàng)新。比如，人工洗衣通常用手搓、腳踩、刷子刷、棒槌打、流水沖等方法去除衣物的污垢，為了代替人的洗衣動作，可在洗衣機滾筒內放置衣物和鵝卵石，滾筒回轉時鵝卵石反復擠壓衣物，達到去污的目的。攪拌式洗衣機和波輪式洗衣機屬機械式洗衣機。真空洗衣機用真空泵將洗衣機缸內抽成真空狀態(tài)。衣物和水在缸內轉動時，水在衣物表面產生氣泡，氣泡破裂產生爆破力將衣物的污垢微粒彈開并拋向水面。超聲波洗衣機利用

25、超聲波使衣物上的污垢分解而離開衣物。電磁洗衣機利用高頻振蕩使污垢與衣物分離。此外還有利用微型計算機與多種傳感器控制的全自動洗衣機。從洗衣機的開發(fā)可以看出，設計人員發(fā)揮獨創(chuàng)性，應用新技術，可開發(fā)出更多新產品。,（2）實用性 實用性體現(xiàn)在對市場的適應性和可生產型兩方面。創(chuàng)新設計必須針對社會的需要，滿足用戶對產品的需求。20世紀70年代，科學家發(fā)現(xiàn)氟里昂會破壞高空臭氧層對紫外線的吸收，并影響到人類的生活。上海第一冷凍機廠抓住

26、制冷設備中的這一關鍵問題，研制出溴化鋰以代替原來大中型空調機上的氟里昂制冷設備，這一創(chuàng)新設計具有巨大的社會效益和經濟效益。 可生產性要求創(chuàng)新設計有較好的加工工藝性和裝配工藝性，能以市場可接受的價格加工成產品，并投入使用。,,（3）突破性 人們往往習慣于從已有的經驗和知識中，從考慮某類問題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，受到“思維定勢”的約束。突破性敢于克服心理上的慣性，從思維定勢的框框中解脫出來，善于從

27、新的技術領域中接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻新方法，為工程技術問題打開新局面。如對衛(wèi)星天線的設計，不論是采用機、電還是液的方法都很復雜。近年來，人們發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金具有記憶功能，即將這種記憶合金在某種溫度下進行處理后，在其他溫度環(huán)境中不論把元件彎成什么形狀，但只要達到特定的處理溫度時，元件會自動恢復原有形狀。根據(jù)這一原理設計的記憶合金衛(wèi)星天線，在發(fā)射衛(wèi)星時，將天線卷曲成團塞在衛(wèi)星的內部，到達軌道后，隨著溫度的變化，衛(wèi)星天線就會

28、自動恢復為預定形狀。這種設計方案簡單可靠，克服了必須用一機構打開天線的思維定勢，具有突破性。,（4）多向性 善于從多種不同角度考慮問題，是創(chuàng)新設計的重要特征。據(jù)統(tǒng)計，設計活動中成功的幾率與設想出供選擇方案的多少是成正比的。多向性體現(xiàn)為擴散思維和多向思維。擴散思維以某一現(xiàn)實事物為起點，誘發(fā)出多種奇思異想，通過一個來源產生眾多的輸出。多向思維是對某一事物和問題從不同角度探索盡可能多的解法和思路。,（5）連動性

29、 創(chuàng)造性思維也是一種連動思維，它引導人們由已知探索未知，開闊思路。連動思維包括縱向、橫向、逆向思維。縱向思維針對某現(xiàn)象和問題進行縱深思考，探尋其本質而得到新的啟示。橫向思維通過某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點與它相似和相關的事物，從而發(fā)現(xiàn)新應用。逆向思維針對現(xiàn)象、問題和解法，分析其相反的方面，從另一角度探尋新的途徑。,（6）突變型 直覺思維、靈感思維是在創(chuàng)造性思維中對問題產生的一種突如其來的領悟和理解。在思維過程中突

30、然閃現(xiàn)出一種新設想、新觀念，從而使問題得到解決。比如阿基米德從洗澡時浴缸中水的溢出產生靈感而得出浮力定律。又如美國工程師杜里埃研究如何使汽油和空氣均勻混合以保證內燃機有效工作的問題時，他從妻子噴灑香水而受到啟發(fā)，發(fā)明了發(fā)動機的汽化器。,2．創(chuàng)新設計的類型（1）開發(fā)設計 在設計原理、設計方案全都未知的情況下，根據(jù)產品總功能和約束條件，提出新的原理、設計方案及進行技術設計。（2）變異設計 在已

31、有產品的基礎上，針對產品的缺點和用戶的要求，從工作原理、結構、尺寸參數(shù)等方面進行變型產品的開發(fā)，設計新產品以適應市場需要，提高競爭力。如雙缸洗衣機變單缸洗衣機、電冰箱從單開門到雙開門，輪徑大小不同的自行車設計等。,（3）反求設計 針對已有的新產品和樣機，分析其關鍵技術，在消化、吸收、引進先進技術的基礎上，利用移植、組合、改造等方法，設計創(chuàng)新產品。如某單位在設計和研制PHD-600型液壓平衡吊和GY-20隨車吊時，參照外國

32、產品樣本的外形推測其結構形式，按照其性能參數(shù)探索其設計原理，從而研制出當時起重量屬國內最大且結構新穎的液壓平衡吊，以及輕便靈巧的液壓隨車吊。又如美國人發(fā)明的晶體管技術原來僅用于軍事，日本索尼公司買到晶體管專利技術后，進行反求研究，移植于民用領域，開發(fā)出晶體管半導體收音機，占領了國際市場。,四、創(chuàng)新設計方法 在國內外市場競爭激烈的形勢下，技術創(chuàng)新是企業(yè)保持旺盛生命力的根本保證。在不斷開發(fā)新產品的過程中，要求設計人員發(fā)揮創(chuàng)

33、造性，提出新方案、探求新解法、開拓新局面。創(chuàng)新活動必須運用創(chuàng)新設計方法。創(chuàng)新方法的基本出發(fā)點是打破傳統(tǒng)思維的習慣，克服思維定勢和妨礙創(chuàng)造性設想產生的各種消極的心理狀態(tài)，應用創(chuàng)新設計方法以幫助人們在設計和開發(fā)產品時得到創(chuàng)造性的解。創(chuàng)新設計方法有很多種，下面簡單介紹智力激勵法、提問追溯法、聯(lián)想類推法、反向探求法、系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新法六種。,1．智力激勵法 人的創(chuàng)造性思維特別是直覺思維在受激發(fā)情況下能得到較好地發(fā)揮。一

34、批人集合在一起，針對某個問題進行討論時，由于各人知識、經驗不同，觀察問題的角度和分析問題的方法各異，提出的各種主意能互相啟發(fā)，填補知識空隙，啟發(fā)誘導出更多創(chuàng)造性思想，通過激勵、智慧交流和集智達到創(chuàng)新的目的。,2．提問追溯法 提問追溯法是有針對性地、系統(tǒng)地提出問題，在回答問題過程中，便可能產生各種解決問題的設想，使設計所需要的信息更充分，解法更完善。提問追溯法有奧斯本提問法、阿諾爾特提問法、希望點列舉法、缺點列舉法。

35、,3．聯(lián)想類推法 通過由此及彼的聯(lián)想和異中求同、同中求異的類比，尋求各種創(chuàng)新解法。利用聯(lián)想進行發(fā)明創(chuàng)新是一種常用而且十分有效的辦法。許多發(fā)明者都善于聯(lián)想，許多發(fā)明創(chuàng)新也得益于聯(lián)想的妙用。例如貝爾發(fā)明電話，開始沒有成功，以后他從吉他的聲音中想到了共鳴原理，改進了的裝置，終于使電話發(fā)明成功。類比聯(lián)想是由一事物或現(xiàn)象聯(lián)想到與其有類似特點（如性質、外形、結構，、功能等）的其他事物或現(xiàn)象，從而找出創(chuàng)新解法。,4．反向探求法

36、 將人們通常思考問題的思路反轉過來，從背逆常規(guī)的途徑探尋新的解法，因此反向探求法亦稱逆向思維法。例如聲音既然是振動那么振動為什么不能復現(xiàn)原聲呢？通過這樣的反問，發(fā)明了留聲機。,5．系統(tǒng)分析法 對于技術系統(tǒng)，根據(jù)其組成和影響其性能的全部參量，系統(tǒng)地依次分析搜索，以探索更多和解決問題的途徑。6．組合創(chuàng)新法 組合創(chuàng)新法是將現(xiàn)有技術和產品通過功能、原理、結構等方面的組合變化形成新的技術思想和新產品。組合

37、法應用的技術單元一般是已經成熟和比較成熟的技術，不需要從頭開始，因而可以最大限度地節(jié)約人力、物力和財力。在現(xiàn)代社會中，大量已經開發(fā)出來的技術，只要合理組合，就能創(chuàng)造出適合人們需要的技術系統(tǒng)。組合創(chuàng)新的類型很多，常用的有性能組合、原理組合、功能組合、結構重組、模塊組合等。性能組合將若干產品的優(yōu)良性能組合起來，使之形成一種全新的產品。例如鐵心銅線電纜的制造就是組合了銅線導電性能好、耐腐蝕，而鐵線成本低，強度高的優(yōu)點，這樣便可以達到性能互補的

38、目的。,原理組合是將兩種或兩種以上的技術原理有機地組合起來，組合成一種新的復合技術性能或技術系統(tǒng)。 功能組合是將具有不同功能的技術手段或產品組合到一起，使之形成一個技術性能更優(yōu)或具有多功能的技術實體的方法。例如計算機和機床組合在一起成為數(shù)控機床。,模塊組合是把產品看成是若干模塊（標準、通用零部件）的有機組合。按照一定的工作原理選擇不同的模塊或不同的組合方式，從而得到多種不同的設計方案。例如各種專用機床的組合。,運用創(chuàng)新