淺談機械結構設計中的創(chuàng)新設計

摘要：一個國家的發(fā)展離不開機械的創(chuàng)新，設計一個好的機械結構是一項極具創(chuàng)新能力的工作。我們在設計機械結構時，必須以改進和創(chuàng)新為目的，設計出更加優(yōu)化的機械。本文主要是探討了機械結構設計中用到的七中不同類型的變元法，根據(jù)這些變元法選擇出最優(yōu)的設計方案，達到機械結構設計的優(yōu)化。

關鍵詞：機械結構；變元法；創(chuàng)新設計

1.結構創(chuàng)新設計變元法

目前機械結構設計中使用最多的就是變元法，這種方法既科學又便利，在設計的過程中，可以通過變元法將可變的元素梳理的更加邏輯化，大大提高了機械創(chuàng)新的步伐。機械設計中最主要的環(huán)節(jié)就是結構設計，結構設計就是將一些機械式的原理通過圖案的方式畫在圖紙上面的過程。變元法的適用范圍非常廣泛，在使用變元法設計設計創(chuàng)新產(chǎn)品時，必須先對設計的產(chǎn)品進行分析，然后選出最優(yōu)的變元法方案進行設計創(chuàng)新。

1.1.位置變元

位置變元就是將產(chǎn)品內(nèi)部的每個基礎元件的位置改變，重新布置，從而得到各種新的結構方案，它考慮到各個產(chǎn)品的基本元素相互之間的一些位置變換。例如：在有限的空間箱子里面裝配好若干構件零件，如果各個零件的擺放位置不同，就會導致裝配操作后的操作性能的不同。

1.2.材料變元

材料變元主要就是考慮機械設計創(chuàng)新中材料的選擇和一些材料的更替。在機械創(chuàng)新設計的過程中，不同的材料會對應著不同的零件尺寸、結構類型和加工工藝，如果零件采用不同的材料，那么該零件設計出來的產(chǎn)品的尺寸大小或者結構也會隨之發(fā)生變化，它的加工時間和加工工藝也會隨之發(fā)生改變，這種變化直接影響著整個產(chǎn)品結構的改變。例如：在使用鋼材料的結構設計時，通常在設計的時候故意加大鋼的橫截面積，這樣就起到了剛度和強度的雙增加。因此，如果通過材料變元，可以創(chuàng)新設計出許多類型的方案來。

1.3.尺寸變元

尺寸變元中的尺寸主要是指距離、角度和長度等，它考慮了變元元件中元素之間的距離、長短度和角度等方面的問題，通過改變機械零件和其構件的尺寸大小，使機械的整體結構發(fā)生變化。就因為尺寸變元的主要內(nèi)容是長度、角度和距離等的變元，這樣便是機械的整體結構發(fā)生了變化，不同的尺寸對應著一個創(chuàng)新設計，從而起到了改變整體機械構件的效果。例如，在一些彎曲工藝里面會使用到尺寸變元，因為每個材料的彎曲彈性變形不一樣，所以對元件的彎曲程度不同，角度的要求也不相同，需要在彎曲構件成形之后，然后再對所彎曲的構件進行加工和修復，如果在彎曲構件之前直接確定一個角度，并且構件允許小范圍的變形，那么彎曲后就不用再加工修復了。

1.4.數(shù)量變元

在機械產(chǎn)品中有很多的元素，像輪廓面、加工面、輪廓線和工作面等都屬于機械元素，產(chǎn)品的結構中包括著工作面和加工面兩類基本元素，數(shù)量變元就是從機械產(chǎn)品的每一個面和線等這些元素來考慮，通過改變機械產(chǎn)品中的這些元素的數(shù)量來改變產(chǎn)品的結構，從而可以得到更多的機械結構。例如在一些結構比較簡單、形狀比較單一的情況下，就可以采用不同輪廓的線來改變機械的結構，但如果是螺釘這類比較復雜的結構時，因為要防止螺絲的脫落，所以螺絲的邊緣盡量要深陷一下，同時也可以加一個螺絲帽使之更固定。

1.5.聯(lián)接變元

聯(lián)接變元就是一種連接方式，它考慮了每個元素之間的聯(lián)接方式，補一個方式不同，主要有鉚接、焊接、膠結等，而不同的機械產(chǎn)品有不同的聯(lián)接方式，可以通過改變聯(lián)接方式來改變機械產(chǎn)品結構方案。例如一些需要經(jīng)常拆卸的元件，就需要在設計的時候考慮到零件的結構連接是否可靠、拆卸是否方便等這些問題。在生活中也有很多利用聯(lián)接變元的產(chǎn)品，像手機產(chǎn)品的蓋子的拆裝結構就很方便，利于使用者的方便操作。

1.6.形狀變元

形狀變元主要是通過改變機械結構零件的表面形和輪廓形狀來改變元件的規(guī)格和類型，從而得到各種各樣的創(chuàng)新方案。例如彈簧可以做成不同種類的，有板簧、壓簧等產(chǎn)品。

1.7.工藝變元

結構設計與工藝設計是緊密相關的，工藝變元需要考慮零件本身的工藝的變化，工藝的不同也會對結構設計造成巨大的影響，如果每個機械零件在制造的過程中選擇了不同的工藝，那么制造出來的產(chǎn)品的功能、質量等都會不同，這些直接改變著產(chǎn)品整體的結構和性能。因此，在機械創(chuàng)新時，必須首先做到設計好圖紙，只有擁有了一份優(yōu)秀的圖紙，才能創(chuàng)造出一臺更加優(yōu)質的機械設備。

2.機械結構創(chuàng)新的必要性

在機械方面我們國家雖然是制造大國，但卻不是創(chuàng)造大國，我們國家的很多機械工藝都停留在模仿發(fā)達國家的機械工藝上。中國的制造業(yè)在國民生產(chǎn)總值中占到了40%，正是因為這樣，在機械創(chuàng)新上也更加有必要進步，我們不能一直都是引進國外的技術，引進技術我們是不能進步的，我國的很多企業(yè)，機械制造不搞自主創(chuàng)新，甚至一些知名的機械企業(yè)連研發(fā)中心都沒有。我們對于機械，對于機械結構的設計太過于死板，很多情況都是在前人基礎上修修改改，沒有實質上的改變。機械行業(yè)對于機械結構和系統(tǒng)的創(chuàng)新，像監(jiān)控設備，測量儀器等一些方面更是需要哪些可以從機械系統(tǒng)內(nèi)部結構的某些規(guī)律上總結，創(chuàng)新的人才。

3.機械結構創(chuàng)新的評價與優(yōu)化

在對每種結構方案進行綜合分析進行優(yōu)化的時候需要采用模糊綜合評判的方法，我們需要從結構方案的社會效益、可操作性、經(jīng)濟指標、安全性能等方面來確定評價。我們在這樣的基礎上，也可以根據(jù)需要在結構中的重要部分例如關鍵性的零部件上面進行數(shù)學模型的建立。之所以建立數(shù)學模型，是因為數(shù)學模型能夠很清晰地反應出結構特征，這樣我們便可以認識到需要優(yōu)化或者改善的地方，最后便可以達到標準。數(shù)學模型雖然比較麻煩與復雜，但是他在描述數(shù)量變元和材料變元上面有著其他的方式所無法超越的優(yōu)勢。結構方案是應該與最終的實際的應用效果的好壞來進行評價的，在機械結構中，轉盤的結構是一個比較常見的結構，我們在對齒輪傳動和滾動軸承進行流體與潤滑的分析，還要對這些零件進行裝配的密封性能的分析，這樣才能完善最后的轉盤結構。機械設備中重中之重便是機械結構的設計，他關系著機械的功能，機械是否能夠運行，是否能夠達到目的。雖然這些年來科學技術的不斷加強，各種機械設備的設計也在不斷進行著改變和創(chuàng)新，但是我們更需要的是將設計和創(chuàng)新與實踐結合在一起，只有將智慧投入到實際的機械結構設計中，才能提高我們的結構設計能力。

圖（一）是我國早期出現(xiàn)的轉盤結構圖紙，圖（二）是我國機械設計中運用最為廣泛的轉盤結構類型，圖（三）是我國目前國內(nèi)最輕便類型的轉盤結構。如果通過變元法里的位置變元就可以得到圖（一）方案；如果再在圖（一）的基礎上進行形狀變元就得到了圖（二）方案；如果將圖（一）方案進行數(shù)量變元、尺寸變元和位置變元就可以得到圖（三）方案了，比較上面三種方案，圖（二）方案之所以應用最為廣泛，其主要原因在于它在技術、經(jīng)濟等方面的綜合評價比較高?？偟膩碚f，這三種方案其實都是通過不同的變元得到不同的結構，通過變元法，我們可以設計出更多的機械結構方案出來。

4.總結

機械創(chuàng)新結構設計本身具有非常重要的意義，如果想要完美實現(xiàn)機械結構的創(chuàng)新設計，設計者必須具有非常高的智慧、技術知識、專業(yè)知識，在分析問題上，設計者的頭腦必須高度敏銳，思維創(chuàng)新能力好。變元法在機械結構設計中起到了關鍵的作用，同時也為設計者在創(chuàng)新時帶來了便捷。目前工程設計者需要在選擇各個構件零件的時候選擇最優(yōu)的組合，這樣可以使機械系統(tǒng)設計方法得到靈活運用。

參考文獻：

[1]陳小強.劉京誠精密機械結構設計創(chuàng)新實驗[J].實驗技術與管理，2008（07）.

[2]許瑛琪.關于機械結構創(chuàng)新設計的新思考[J].中國科技縱橫.2011.（15）.