摘要:21世纪是科技创新的时代，创新设计已经深入到许多领域，特别是机械结构设计领域，创新思想已经不再是神秘话题，创新设计在机械结构设计中的应用得到了全面发展。
关键词:机械结构设计;应用；创新设计
引言：
从工业革命以来，在二百多年的工业化进程中，创新设计一直是推动和发展前沿技术的永恒动力，创新设计既是发展生产力的源泉，也是生产力发展的结果。技术的创新会带来产品的更新优化，也会创造出全新的科技成果。创新成果离不开创新设计，而创新设计的方法和思维来源，更是创新设计的核心问题，特别是在机械结构设计当中，创新设计思维的应用是一直不断探索的课题。
1在机械结构设计当中的创新设计概况
机械结构的设计发展是从无到有、从简到繁、从粗糙到精密。每一次旧结构在新环境中的失败，激励了设计者对结构性能改进的欲望，通过早期经验一次次的积累，总结出结构改进的规律和方法，为满足每一次新的需求，提供经验基础和检测标准，进而实现结构的改进，这就是创新设计。通常创新设计从困难与挑战来，又要回到困难与挑战当中去。
1.1机械结构设计
机械结构设计的基本内容包括：对机械产品材料的选择、机械产品的外观设计、机械产品的大小型号设计、机械零件的连接方式和机械功能的设计等。由于时代的发展，传统机械结构的设计早已不能满足机械制造业的供给需求，必须研发出新型的机械结构，以满足市场需要。特别需要注意的是，机械结构的创新设计必须符合机械制造业的标准，不能违背机械运行的常理，否则将会引发安全事故[1]。
1.2机械结构设计的关键因素
根据以往的实践经验可以得知，机械结构设计的关键因素主要分为两点：一是机械产品的质量。众所周知，产品的实用价值是通过其质量体现的，只有在确保其质量过关的情况下才能将机械产品投入使用[2]。为保障产品的质量，设计者在设计其结构时，必须提前对产品的质量进行检验，在确保产品的结构、硬度、精确度都能符合相关使用标准后，再考虑机械结构的设计。二是机械产品的创新。产品的创新性是机械结构设计的核心，且其创新性还能在一定程度上提高机械产品的市场竞争力。因此，机械产品的设计师在设计时需从产品的创新性着手。充分考量产品的性能、外型及其操作等方面的创新
2机械结构设计创新的必要性
随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，机械制造产品的同质化竞争愈发激烈。因此，我国若想摆脱同质化现象，从而在机械制造产业占有更大的份额，就必须对机械产品的设计进行改良创新，利用新颖的设计提升产品的畅销度和竞争力，才能在激烈的市场竞争中以独特的优势胜出。这就对机械产品的设计人员提出了一定的要求，要求工作人员不断地提高创新意识，运用现代化机械的设计理念对机械结构进行实质性的创新与改良，从而提升机械设备的整体效果[3]。
3创新设计在机械结构设计中的应用方式
3.1机械结构创新设计中的变元法
目前机械结构创新设计中最常用的思维方法就是变元法，变元法就是指在通过改变机械结构内部或外部的特征元素参数的设计来实现对机械结属性的改变，以此来达到预期的性能指标。这些元素包括形状元素、尺寸元素、材料元素、位置元素、连接元素以及数量元素等等。变元法创新设计，能够改变原结构中的设计特性，清除设计缺陷，完善机械结构的属性，促进加工工艺的改进，实现机械结构设计体系的完整优化和创新。
3.1.1形状元素创新设计
通过对机械构件形状进行重新设计，获得能够满足机械性能需求的创新结构。机械结构创新设计中，形状的创新是变元法中经常使用的一种方法，对机械构件外在物理形状进行创新设计，调整结构系数，实现机械结构性能的提升。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆例如弹簧结构设计的时候，根据不同使用要求，弹簧截面可以设计成非圆形的。石化部门接触石油类产品，为减小化学类产品腐蚀的影响，多将零部件设计成曲线面或曲面体，减小表面积。
3.1.2尺寸元素创新设计
通常形状元素和尺寸元素是融合在一起的，尺寸元素是在确定了形状元素基础上进行改进的，尺寸包括长度、曲度、角度等参数[4]。在满足机械功能的前提下，对尺寸做优化处理，可提高构件维护的方便性以及灵活性。
3.1.3材料元素创新设计
机械结构能否达到性能指标，绝大多数由机械材料来决定，材料的选择直接影响机械构件形状、尺寸以及加工工艺的选择。因此，选择强度、刚度、可塑性等性能更加优良的材料，可以实现机械结构创新上的巨大飞跃。飞机机翼一般选择铝合金作为材料，但由于铝的强度有限，降低了飞机的载荷能力。而随着钛合金材料的诞生，同样厚度的机翼，强度远远大于铝合金，同时降低战斗机自重，提高载荷系数，增强战斗力。
3.1.4位置元素创新设计
位置元素是指起功能作用或连接作用的结构在整体机械构件中的坐标点位。机械结构创新中除了构件的形状、尺寸、材料的设计，结构创新也是非常重要的一种方法。位置的改变直接影响机械构件装配和执行功能，是创新设计中最直观的表现，也是机械结构样式的表达主体。位置设计遵循的是机械原理和理论力学，位置合理性的创新是机械结构创新设计中最璀璨的明珠。比如符合人体力学的曲线式座椅，会提高舒适性，被广泛使用。
3.1.5连接元素创新设计
连接元素是指构件和构件之间的连接机构，根据机械的结构、用途、工作特性的不同，选择不同的连接方式，会给实际使用和维护带来极大的便利，提高工作效率，获得良好的评价，也为机械设计产品带来更加宽广的市场。比如工作强度不高，但使用频率高的连接机构就要选择灵活性和互换性强的连接方式。
3.2 TRIZ设计创新理论
TRIZ理论阐述了发明问题的核心:解决冲突。冲突就是在达到预期目标同时还要满足非唯一条件的问题，解决冲突的原则就是改进系统中任一结构或性能的同时，不能对同一系统中的相邻结构或性能产生不良作用。冲突分两类，一类，是物理冲突，物理冲突是指，要求其中的某子系统做出与子系统性能相反的行为时产生的冲突，这导致系统中的某部分同时出现两种完全相反的行为或状态，这一问题是由一个系统指数的变动而产生的。另一类，是技术冲突，这是指系统中增强某一部分的性能而对系统产生了有害或利害各半的结果，或者，有益元素的的加入或有损元素的清除引起他的子系统消极变化，技术冲突是由两个系统性能指数导致的。
结束语：机械结构创新设计不仅有以经验为基础的试验创新，也有宏观方法论的理论体系创新，无论哪一种，都是机械领域重要的创新设计方法，在面对实际结构问题时，经验与方法论两类创新思路既是相互弥补，也是相互检测，只有两者有机的结合，才是不断提高机械创新设计的最佳方案。当然，随着技术不断发展，还会有更加巧妙的创新思路出现，这要依赖于科研工作者的不懈奋斗和努力，相信创新设计将是永恒的话题。
参考文献：
[1]叶海林.空调机械结构设计的创新与应用[J].科技资讯,2018,16(14):77-78.
[2]黄德夫.解析运动力学在机械结构设计中的应用[J].智能城市,2017,3(02):99.
[3]刘宇怀,冀林海,梁永红,王莉.ANSYS在机械结构设计中的应用研究[J].科技展望,2016,26(24):75.
[4]朱煜忻,王宇,丁航,王卫星.知识工程在机械产品结构设计中的应用[J].航空制造技术,2015(S2):85-88+91.
论文作者:张新峰
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第06期
论文发表时间:2019/8/13
标签：机械论文; 结构论文; 结构设计论文; 元素论文; 产品论文; 构件论文; 形状论文; 《科学与技术》2019年第06期论文;