谈机械结构设计中的创新设计

谈机械结构设计中的创新设计

王玉雄

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摘要：作为我国当前的重点产业，机械设计与生产对于机械制造行业来讲非常重要。机械结构设计不仅关系着机械产品的最终可靠性与实用性，更关系着我国机械制造水平的高低和机械制造行业的未来发展。本文结合机械结构设计的基本要求，分析了机械结构设计中的创新设计。

关键词：机械结构；设计；创新

引言：

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能；是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。

一、机械创新设计概述

机械创新设计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（包括理论、方法、技术、原理等），进行创新构思，设计出有新颖性、创造性、实用性的机构（结构）或机械产品（装置）的一种实践性活动，它是建立在现有机械设计理论基础上，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成分，经过交叉而成的一种新的设计技术和方法。

二、机械结构设计的基本要求

2.1功能设计

机械产品需要满足主要机械功能需求，进而满足人们的应用需求。在功能方面不仅需要展示出创新性，设计产品还要符合相关的机械工作原理，满足机械产品稳定性、工艺力学、材料力学以及装配性能等相关因素的要求。

2.2质量设计

需要考虑到构成机械产品质量体系的相关因素，包括产品精度、产品刚度、产品结构力学的要求等等，进而通过控制相关因素提升机械产品的质量特性以及性价比。此外还需要考虑到机械产品的其他特性，如操作便捷性、产品外观、安全特性、节能环保等等。产品的质量不仅需要在机械加工工艺以及材料方面进行控制，在机械设计阶段也应该考虑。

2.3优化设计与创新设计

机械产品结构创新设计的方式为利用结构设计变元等方式系统度构造优化设计空间，在产品中引入创造性思维或者其他学科的技术。优化设计和创新设计在机械产品结构设计中的应用，能够有效地提高机械技术产品开发的竞争力。结构优化设计的前提是要能构造出大量可供优选的可能性方案，即构造出大量的优化求解空间，这也是结构设计最具创造性的地方。目前，结构设计的优化与创新仅展现于数理模型运算方面。并未综合考虑到机械产品的本身特性，如产品的加工工艺、材料、连接方式、尺寸形状等等，而且对于机械结构变元法设计也应该建立在这些因素的基础上。

三、机械结构设计中的创新设计

目前机械结构设计中使用最多的就是变元法，这种方法既科学又便利，在设计的过程中，可以通过变元法将可变的元素梳理的更加逻辑化，大大提高了机械创新的步伐。机械设计中最主要的环节就是结构设计，结构设计就是将一些机械式的原理通过图案的方式画在图纸上面的过程。变元法的适用范围非常广泛，在使用变元法设计设计创新产品时，必须先对设计的产品进行分析，然后选出最优的变元法方案进行设计创新。

3.1.位置变元

位置变元就是将产品内部的每个基础元件的位置改变，重新布置，从而得到各种新的结构方案，它考虑到各个产品的基本元素相互之间的一些位置变换。例如：在有限的空间箱子里面装配好若干构件零件，如果各个零件的摆放位置不同，就会导致装配操作后的操作性能的不同。

3.2.材料变元

材料变元主要就是考虑机械设计创新中材料的选择和一些材料的更替。在机械创新设计的过程中，不同的材料会对应着不同的零件尺寸、结构类型和加工工艺，如果零件采用不同的材料，那么该零件设计出来的产品的尺寸大小或者结构也会随之发生变化，它的加工时间和加工工艺也会随之发生改变，这种变化直接影响着整个产品结构的改变。例如：在使用钢材料的结构设计时，通常在设计的时候故意加大钢的横截面积，这样就起到了刚度和强度的双增加。因此，如果通过材料变元，可以创新设计出许多类型的方案来。

3.3.尺寸变元

尺寸变元中的尺寸主要是指距离、角度和长度等，它考虑了变元元件中元素之间的距离、长短度和角度等方面的问题，通过改变机械零件和其构件的尺寸大小，使机械的整体结构发生变化。就因为尺寸变元的主要内容是长度、角度和距离等的变元，这样便是机械的整体结构发生了变化，不同的尺寸对应着一个创新设计，从而起到了改变整体机械构件的效果。例如，在一些弯曲工艺里面会使用到尺寸变元，因为每个材料的弯曲弹性变形不一样，所以对元件的弯曲程度不同，角度的要求也不相同，需要在弯曲构件成形之后，然后再对所弯曲的构件进行加工和修复，如果在弯曲构件之前直接确定一个角度，并且构件允许小范围的变形，那么弯曲后就不用再加工修复了。

3.4.数量变元

在机械产品中有很多的元素，像轮廓面、加工面、轮廓线和工作面等都属于机械元素，产品的结构中包括着工作面和加工面两类基本元素，数量变元就是从机械产品的每一个面和线等这些元素来考虑，通过改变机械产品中的这些元素的数量来改变产品的结构，从而可以得到更多的机械结构。例如在一些结构比较简单、形状比较单一的情况下，就可以采用不同轮廓的线来改变机械的结构，但如果是螺钉这类比较复杂的结构时，因为要防止螺丝的脱落，所以螺丝的边缘尽量要深陷一下，同时也可以加一个螺丝帽使之更固定。

3.5.联接变元

联接变元就是一种连接方式，它考虑了每个元素之间的联接方式，补一个方式不同，主要有铆接、焊接、胶结等，而不同的机械产品有不同的联接方式，可以通过改变联接方式来改变机械产品结构方案。例如一些需要经常拆卸的元件，就需要在设计的时候考虑到零件的结构连接是否可靠、拆卸是否方便等这些问题。在生活中也有很多利用联接变元的产品，像手机产品的盖子的拆装结构就很方便，利于使用者的方便操作。

3.6.形状变元

形状变元主要是通过改变机械结构零件的表面形和轮廓形状来改变元件的规格和类型，从而得到各种各样的创新方案。例如弹簧可以做成不同种类的，有板簧、压簧等产品。

3.7工艺变元

结构设计与工艺设计是紧密相关的，工艺变元需要考虑零件本身的工艺的变化，工艺的不同也会对结构设计造成巨大的影响，如果每个机械零件在制造的过程中选择了不同的工艺，那么制造出来的产品的功能、质量等都会不同，这些直接改变着产品整体的结构和性能。因此，在机械创新时，必须首先做到设计好图纸，只有拥有了一份优秀的图纸，才能创造出一台更加优质的机械设备。

四、结语

机械创新结构设计本身具有非常重要的意义，如果想要完美实现机械结构的创新设计，设计者必须具有非常高的智慧、技术知识、专业知识，在分析问题上，设计者的头脑必须高度敏锐，思维创新能力好。变元法在机械结构设计中起到了关键的作用，同时也为设计者在创新时带来了便捷。目前工程设计者需要在选择各个构件零件的时候选择最优的组合，这样可以使机械系统设计方法得到灵活运用。

参考文献：

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[2]何毅.机械结构设计中的创新设计应用[J].中国科技投资，2013，20：173.

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[4]许瑛琪.关于机械结构创新设计的新思考[J].中国科技纵横.2011.（15）.