創新設計在機械結構設計的應用

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了創新設計在機械結構設計的應用范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：為最大化地發揮機械結構設計的作用，對機械結構設計創新進行研究。分析創新設計對機械結構設計的重要性，闡述創新設計在機械結構設計中的具體應用，介紹基于發明問題的解決理論(teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch，TRIZ)創新設計理論變元法的創新設計實例。結果表明：通過使用創新設計可以進一步提高機械的質量與性能，并促使機械制造業實現更好的發展。

關鍵詞：創新設計；機械結構設計；重要性；應用

0引言

目前，在機械結構設計中使用創新設計已經得到相關人員的高度重視，主要目的是能更好地利用機械，并最大化地發揮機械結構設計的作用。機械結構的創新設計通常采用變元法。該方法使用起來比較簡便，在創新設計過程中使用邏輯化思維能夠實現對可變元素的系統化梳理，在此基礎上進一步應用基于發明問題的解決理論(TRIZ)創新設計理論，可以進一步提高機械結構設計的效率。

1創新設計對機械結構設計的重要性

近年來，我國社會經濟的發展速度持續加快，人們的思想觀念也開始朝著多元化的方向發展，因此，對機械結構設計也提出了更高要求。在這種情況下，傳統的機械結構設計理念逐漸顯示出許多不足，例如，設計出來的機械結構相對單一，能夠使用的范圍也相對較小，導致機械結構的實際作用難以發揮。機械結構設計人員必須要提高自身的創新意識，使用新工藝、新結構、新材料等設計方式來彌補傳統設計理念的不足，以提高機械結構設計的效率，促使機械制造行業實現更好的發展[1]。

2創新設計在機械結構設計中的應用

2.1材料變元

在機械結構設計的過程中，通常要按照不同的結構類型選擇不同的材料，在選擇材料時，通過材料變元可以得到很多意料之外的成果。通過改變材料的特性，或者利用材料特性設計更穩定可靠的機械結構。例如，在玻璃外表易損器件的固定結構設計中，可利用柔性材料和剛性材料不同的特性，設計一種能夠提高敏感光學器件抗沖擊能力的結構，從而達到將敏感光學器件運用在高沖擊高振動環境中。在易損器件的固定設計中，摒棄了傳統剛性固定的設計，采用了橡膠約束墊進行徑向的固定，然后通過金屬固定環和固定線路板進行軸向固定的設計。2種不同特性的材料相互作用，不僅可以最大限度地利用產品內部空間，而且提高了易損器件在高沖擊高振動環境中的可靠性。

2.2數量變元

在機械結構設計過程中，經常存在很多需要進行細微調整的元素，而最為簡單的變元方法就是通過改變設計結構中基礎元素的數量來實現對機械結構的合理調整。這種創新方式非常普遍[2]。例如，在對鑄件結構進行設計的過程中，為了可以有效防止螺栓脫落，就使用彈簧墊圈與螺釘2種類型的元件。從物理學原理的角度來說，通過這種方式能夠改變設計結構中存在的元素數量，設計出集多功能于一體的零件，不但可以優化整體的機械結構，而且可以簡化機械結構的安裝步驟。

2.3尺寸變元

尺寸變元主要通過改變元器件的形狀來實現結構設計的最優化，即把元器件長寬高的參數都進行適當改變。

2.4工藝變元

機械產品的質量由機械結構設計與機械制造工藝決定。設計人員需要在每個零件的性能、精確度和安全標準的基礎上設計出對應的結構方案，根據制造工藝的相關要求，來保證零件的精準度與外觀的美觀性，以保證機械產品的質量。

2.5位置變元

在進行機械結構設計的過程中，通過改變機械結構中每個零件的位置來實現對機械結構的優化。在對焊縫位置進行分配的過程中，可以適當地把零件調整到中性軸或是臨近中性軸的位置，不但能夠縮短力矩、減少彎曲變形的可能性，而且也可以使機械操作變得更為穩定。

2.6外形變元

機械結構外型的改變也可以實現對整體產品性能的改變。在確保機械產品外形美觀的前提下，設計人員需要對機械結構的外形展開優化設計，以此來進一步提高產品的精確度，從而實現對整體產品性能的優化。

2.7TRIZ創新設計

在解決問題初期，先將各種客觀限制條件進行隔離，通過理想化來定義問題的最終理想解(idealfinalresult，IFR)，以確定理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中始終向著確定的方向和位置前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新中缺乏目標的弊端，進而加快創新設計的進程、提高創新設計的質量。TRIZ創新設計可以將復雜問題簡單化，從而擺脫傳統固化思維和單一的專業知識，打破知識領域界限，實現跨學科、跨領域的創新設計突破。

3機械結構創新設計實例

以基于TRIZ創新設計理論的變元法設計為例進行創新設計。TRIZ理論認為，創造性問題是指包含至少一個矛盾的問題，問題的種類則可歸納為物理矛盾、技術矛盾和管理矛盾3類。在機械結構設計中，矛盾主要為物理矛盾和技術矛盾：物理矛盾是指系統中的問題由一個參數正負方向要求導致的；技術矛盾則是指系統中的問題由2個參數導致。在經過TRIZ分析明確設計的矛盾點后，針對矛盾點通過不同的變元法進行創新性設計，從而達到預期的效果。這種創新設計方法可提高單一變元法的設計效率和成功率。以一種需要在旋轉狀態下保持高壓力的結構為例，這種結構需要在一定的密封結構以保持高壓力的狀態，同時旋轉阻力又需要足夠小以滿足小電機的驅動能力。在創新設計時，首先通過TRIZ創新設計理論確定物理矛盾為該結構的密封設計，既需要密封結構達到一定的密封效果，又對由密封結構產生的旋轉阻力提出了足夠小的要求。確定了矛盾方向和目標后，通過運用TRIZ創新發明原理中第40項“復合材料”—用復合材料替代均質材料，并結合材料變元的方法對密封結構進行創新性設計。在需要旋轉的密封結構設計中常用○型圈來作為密封結構，通過○型圈受壓力變形后的自密封作用，可產生較好的密封效果。但是○型圈受壓力變形后，因為本身橡膠材質的特性和接觸面變大，會產生較大的滑動摩擦力。通過改變材料特性的辦法，將○型圈直徑圓周的一半涂覆摩擦系數很小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡寫為PTFE)材料，改變○型圈本身材質的特性。當旋轉結構工作時，○型圈的自密封作用可達到高壓力空間的密封效果要求，而PTFE材質本身具有的摩擦系數低的特點也可以達到旋轉阻力小的要求。經過實驗，采用普通橡膠材質○型圈設計，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時，旋轉扭力為2.7N。采用涂覆了PTFE材質○型圈設計，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時，旋轉扭力僅為0.38N，達到設計要求的目標。

4結束語

從機械設計的現狀來看，在之后的機械創新設計過程中還存在很多需要改進的地方。在機械結構設計的過程中，應該加大對創新設計的應用力度，以提高機械結構設計的質量與效率，從而促使機械制造行業實現可持續發展。

參考文獻：

[1]吳小四,營夢,張芹,等.四足平臺機械結構的設計與制作[J].齊齊哈爾大學學報(自然科學版),2017(3):80-82.

[2]李寧,李林,李千山.深井鉆機鉆桿自動傳送裝置載重臂的機械結構設計[J].機械制造與自動化,2018,47(1):213-217

作者：蔣良葒 劉濛 王逸鳴 單位：上海電控研究所滅火抑爆研發中心