机 械 创 新 设 计_机械设计基础

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机 械 创 新 设 计

推动社会发展的源泉和生命在于创新。创新是发现或发明新思维、新理论、新方法、新技术或新产品。机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前我国创新设计方法研究虽然已取得一些成果, 但创新学还处于发展初期, 各种不同理论及工具不断涌现, 远没有形成普遍可以接受的统一理论体系。

进行机械创新设计要有 2个必要条件: 一是充分获取适用的知识: 二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。由于人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的, 设计过程充满了矛盾, 所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决, 这就要求设计辅助系统必须符合创新设计思维规律。然而在现有国内高等学校的机械专业中, 却很少有关机械设计创新的课程, 致使很多从该专业毕业的学生尽管具备有关的基础知识却难以从事创新的设计。现根据多年机械设计的实践经验, 谈谈机械设计的创新, 以供同行参考。机械创新设计研究的目的和意义

开展机械创新设计研究的目的不仅是提高自身学术水平, 更主要是获取较大的经济效益和社会效益。其意义在于:(1)机械创新设计的深入研究将为人们发明创造新机器、新机械提供有效的理论和方法。

(2)机械创新设计研究能加速机械专家智能化, 实现真正的 ? 专家? 系统, 有利于加速机械设计水平向自动化、智能化、最优化、集成化实现。

(3)创新设计的机械产品提高了产品在同类产品中的竞争力, 特别是当专利产品技术形成产业化的时候, 可以创造出较高的经济效益及社会效益。

(4)在机械创新设计的实践中培养了设计人员的创造性思维, 增强了其创新能力, 提高了人们进行创新设计的自觉性及技术上的可操作性, 使机械创新设计成为一种工具或手段, 这样, 就促进了新产品的繁荣与更新, 为社会创造了财富。机械创新设计的研究对象

所谓机械创新设计(MCD)是指充分发挥设计者的创造力, 利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术原理等), 进行创新构思, 设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含 2 个部分: 一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等;二是创造设计出新机器、新产品, 以满足新的生产或生活的需要。机械创新设计是建立在现有机械设计学理论基础上, 吸收科技哲学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关学科的有益知识, 经过综合交叉而成的一种设计技术和方法。由于机械创新设计过程凝结了人们的创造性智慧, 因而其产品无疑应是科学技术与艺术结晶的产物。除了应该具有产品的技术性能、可靠性、经济性和适用性外, 还应该反映出和谐的技术美, 如造型的美学性, 具有圆满的审美价值机

械设计一般可分为方案结构设计、运动设计及动力设计 3 个阶段, 其中, 方案结构设计最需要创造性, 设计难度也最大。常规设计一般是在给定机械结构或只对某些结构作微小改动的情况下进行的, 其主要内容是进行尺度设计及动力设计。而相对传统设计而言, 机械创新设计特别强调了人在计过程中, 特别是在方案结构设计阶段中的主导及创造性作用。机械的创造发明人多属于机械结构方案的创新设计。机械创新设计技术

机械创新设计技术是一门有待开创发展的新的设计技术和方法, 它和机械系统设计、计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、摩擦学设计、有限元设计等一起构成现代机械设计方法学库, 并吸收邻近学科有益的设计思想与方法。随着认识科学、思维科学、人工智能专家系统及人脑研究的发展, MCD正在日益受到专家学者的重视。一方面,认识科学、思维科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等已为MCD 提供了一定的理论基础及方法;另一方面, MCD 的深入研究及发展有助于揭示人类的思维过程、创造机理等前沿课题, 反过来促进上述科学的发展, 实现真正的机械专家系统(MES)及智能工程(IE)。因此, MCD 是MES、IE等学科深入研究发展进程中必须解决的一个分支,它要求能真正为发明创造新机械和改进现有机械性能提供正确有效的理论和方法。

MCD要完成的一个核心内容就是要探索机械产品创新发明的机理、模式及方法, 要具体描述机械产品创新设计的过程, 并将之程式化、定量化,乃至符号化、算法化。机械创新设计思维的 2 个原则

机械设计过程是从功能要求到作用原理, 再到物理结构的映射过程。我们在创新设计思维过程中, 应该把握好 2 个基本原则:(1)最短路径原则

在明确产品的功能要求后, 就应检索出最佳设计实例, 这样可以最迅速接近目标, 然后运用价值工程方法, 找出价值较低的极少数组件作为研究对象, 再分析所得对象存在的矛盾, 尝试做最小变动以解决矛盾, 如矛盾没有解决, 就要做更大变动或扩大研究对象范围, 最后得出最优结果。通过这种途径所消耗的能量最少, 体现了最短路径原则。

(2)相似性联想原则

联想就是找出事物彼此相似性的创造力(相似性是指事物间的内在联系)。判断联想是否合理的依据是相似性, 相似性由已有产品实例确定, 当多种产品实例可满足同一功能要求, 那么它们用于实现该功能的作用原理及物理结构具有相似性。在设计中, 功能要求、作用原理与物理结构可作为实例索引, 因此, 可统称它们为索引项目。同一索引的不同类索引项目之间的联想可称为纵向联想, 而不同索引的同类索引的联想可称为横向联想。

功能创新是根据产品市场需求, 将各种相互关联的功能信息进行搭配、组合, 产生新的满足要求的功能。原理创新是从功能要求(系统产生的或已知的)出发, 通过技术分析, 寻求不同功能在原理上的重组, 从而实现原理创新。结构创新是指在设计后期, 对功能、原理创新的结果匹配以对应结构化设计方案(包括各个结构对象自身及其相互间的连接关系、控制关系等)。

图1 计算机创新设计系统的组成。实现创新的关键阶段是产品设计早期的概念设计阶段, 它既是产品设计的首要步骤, 也是最富有创新的步骤。概念创新设计的关键技术及其实现方法如下:(1)信息建模技术

一般情况下, 总体功能往往包含着许多子功能。而每一种功能可以由不同的结构来实现。故存在组合、协调和评价筛选的问题。在功能设计阶段, 传统的 CAD 建模技术己不能适用现代设计的需要, 在支持概念设计的建模技术中, 功能信息应代替几何信息占主导地位。因此, 功能建模应是研究的重点。

(2)智能支持技术

当前, 在人工智能系统中应用的人工智能技术, 主要有专家系统、人工神经网络、遗传算法、模糊系统。它们各有长短。为了构造性能较好的应用智能系统, 建议综合应用(集成)专家系统、模糊系统两种技术, 以独立、并行地实现对设计过程中人机交互、设计操作、辅助创新、设计评价等环节的支持。

(3)集成设计技术

集成主要由信息环境集成和设计环境的集成两个构成。笔者认为采用数据库集成方式可以方便地实现系统集成问题。随着 CAD 技术朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展, 未来的设计系统必然是以人为核心的人机一体化智能集成体系。6 几点建议

(1)要有敢于创新和寻根究底的精神。机械设计的创新实际上就是根据已知需求探寻最佳的设计方案。任何创新可行方案都是需要实践来验证的。但要提出一种试探方案, 需要具备有关的专业知识。专业知识渊博, 可提出的试探方案就愈多, 在短时间内找到较好方案的可能性就愈大。每找出一种试探方案, 都应从理论上分析它的可行性。有条件的话, 最好通过计算机仿真技术来进行仿真检测和验算, 逐步检验它的原理是否可行, 结构是否复杂, 造价是否低廉, 操作是否方便, 工作寿命是否长久等等, 最后决定取舍。若存在问题较多且难以改进则应考虑另找新的试探方案。只有把各种试探方案进行反复论证、比较、筛选和完善才有可能得到较佳方案。使结构方案逼近最佳状态的条件是设计者要有查漏补缺的知识和能力, 更要有穷追不舍和坚忍不拔的精神。许多事情就如隔着一张窗户纸, 只要被捅破也就没什么, 但要第一次发现它却往往要经过冥思苦想的过程, 当设计思路出现山穷水尽时, 就要换位思考, 常常会出现柳暗花明的局面。

(2)要善于古为今用、洋为中用。在谋求最佳方案的过程中, 已经成熟的技术可以直接拿来应用, 而不必每个环节都进行创新。

(3)要具有较好的自学能力。机械设计所涉及的知识是比较广泛的, 设计者要能针对创新过程中遇到的困难参阅有关资料进行自学或独创的理论分析。只要有必胜的信心, 遵循设计创新规律锲而不舍地进行探索, 最佳的设计方案就一定能够找到。