刘敏
富泰华工业(深圳)有限公司
摘要：机械结构的设计是机械制造业发展的重中之重，其设计的成果不仅决定着机械产品的质量，同时还影响着机械制造业的发展。传统的机械设计在实际运行过程中经常会因为受到各种因素的影响，呈现出多种问题，而创新设计则能很好地解决传统机械结构的问题，从而极大地提升机械生产的效率。
关键词：机械结构设计；创新设计；应用
引言
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。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现代机械设计概述
机械设计根据预想产品使用要求和功能对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等结合机械设计学、哲学、信息科学、人工结构学、哲学、美学等各类学科和原理进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。现代机械设计有别于传统机械设计主要体现在：一是技术的运用不同；二是设计产品性能、功能和结构不同；三是设计效率和设计重复性不同；四是对材料使用要求不同；五是设计理念与创新意识不同。现代机械设计基本步骤组成为：首先研究分析预设计机械产品的功能、工作原理；再次对预设计机械产品结构进行分析、组合；其次完成对预设计机械产品的力学传动、尺寸、精度等参数优选；最后进行组合分析和选取最佳的机械设计方案。
2机械结构设计的基本要求
2.1功能设计要点
机械制造的主要目的是为了满足人们对机械生产的需求。而在机械制造的初级阶段，机械功能的设计不仅要满足人们的需求，同时还要充分体现出其创新性。设计出的产品还要符合机械制造业的生产标准，这样才能最大限度地保障产品的质量和产品的实用性。
2.2质量控制要点
产品的质量监控不仅是对产品的工艺和产品材料的监控，同时还是对产品的刚度、精密度及产品的结构力学等的监控，这些都是考量产品质量的重要指标。只有通过控制这些影响产品质量的因素，才能确保产品的质量和性价比。除此之外，还要对机械产品的安全性、环保性、便捷性等进行一系列的控制，以防在机械产品的使用过程中增添不必要的麻烦。
2.3优化与创新设计
随着全球化趋势的发展，我国的机械制造业正面临着全球化发展的机遇和挑战，在激烈的国际市场竞争下，机械产业的发展必须拥有先进的创新技术才能在国际市场立足。由此可见，机械产品的创新设计已成为机械制造业在国际市场抢得先机的重要手段。因此，在机械产品的设计过程中，必须打破传统的设计理念，引入创新型思维，才能有效地提高产品的竞争力。除此之外，机械产品的优化创新必须结合相应的科学理论知识和实际经验，对机械产品的本质进行创新，例如机械产品的生产工艺、尺寸大孝形状、外型等都要进行一系列的创新与优化。
3创新设计在机械结构设计中的应用
3.1TＲIZ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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另一类，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。
3.2机械结构创新设计中的变元法
3.2.1机械结构设计中的连接变元
焊接、螺纹固定、胶水粘接等是机械产品零件连接的主要方式，只有根据机械产品的实际情况选择合适的连接方式，才能保障机械产品的长久运行。因此，机械结构设计师在进行机械结构的创新设计时，要结合实际情况，对产品的连接方式进行相应的创新。譬如对那些过于牢固无法拆卸的产品零部件，可以采用焊接的方式处理，这样就能确保产品零件的稳定。而那些能够随时拆卸的零件，可结合实际情况，选择胶水粘接或者螺纹固定的方式进行处理。
3.2.2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。
3.2.3机械结构设计中的数量变元
数量变元是机械结构设计中的一个基本变元，通过对产品零件数量的改变，从而达到对产品功能和性能的改变。例如：机械结构的设计师在设计产品时，为了能够充分体现出产品的功能性与实用性，通常会采用直线设计的方法。在直线设计中，螺丝是其中最重要的基础要素。一旦螺丝出现松动或者偏移的现象将直接影响整个机构的设计，为有效降低这种问题发生的概率，设计师通常会选择采用增加弹簧垫的方式增强弹簧的稳定性，这样不但不会造成弹簧歪斜，同时还能发挥很好的缓冲作用。除此之外，在进行设计时，设计师还可以将一些冗杂的元素进行适当的整合，不但方便携带与安装，还能极大地缩短工作时间。这就是数量变元的优势。
3.2.4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。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。
3.2.5机械结构设计中的尺寸变元
机械结构零件的尺寸也是影响机械结构设计创新的重要因素，零件尺寸不符将严重影响机械结构的设计。为有效地避免这种问题的发生，机械结构的设计人员可以通过尺寸变元的方式，优化零件的尺寸，以此达到零件应用优化的目的。在采用尺寸变元法时，需特别注意零件的自身尺寸及具体形状，采取适当的手法进行尺寸变元，以免妨碍机械设备的稳定运行。同时，要严控零件尺寸，采用模块化的方法进行设计。这样才能使机械设备的运行达到相对稳定的状态。
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，创新设计将是永恒的话题。
参考文献
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［2］杨仪伟，董超群．TＲIZ在机械产品创新设计中的应用［J］．科技信息，2011(07):69+414．
［3］王宾瑞．创新设计在机械结构设计中的应用分析［J］．科技风，2018(06):5．
论文作者:刘敏
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
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