創(chuàng)新設(shè)計在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究

王 博，鄧鵬程，李 淵，羅金成，鄒 輝

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000；3.四川新川航空儀器有限責(zé)任公司，四川德陽 618300）

目前，機械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的研發(fā)和創(chuàng)新得到國家以及各個行業(yè)的普遍關(guān)注和廣泛重視，創(chuàng)新對于機械設(shè)計具有非常重要的意義，它是推動機械持續(xù)發(fā)展的原生動力，只有通過創(chuàng)新才能讓機械結(jié)構(gòu)得到不斷改進和提升，才能更好的適應(yīng)建設(shè)需求，才能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的工作和生活需要。

1 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 材料的變元

在對機械進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的設(shè)計中，一般需要根據(jù)各種類型結(jié)構(gòu)選擇各種材料，在對制造材料進行選擇時，根據(jù)對制造材料進行變元能夠獲得許多意想不到的收獲。通過對制造材料的特殊性能進行改變，或是應(yīng)用機械材料自身特性研發(fā)出具有更加可靠和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)備。比如說對容易損壞的玻璃外表器件進行固定設(shè)計時，其設(shè)計結(jié)構(gòu)可以針對材料在柔性及剛性方面的不同特征，設(shè)計研發(fā)一款可以增強光學(xué)敏感器件抵抗沖擊的機械結(jié)構(gòu)，由此實現(xiàn)把光學(xué)敏感器件應(yīng)用到具有較高的沖擊性振動的環(huán)境中來。

對容易壞損的器件做固定結(jié)構(gòu)設(shè)計時，放棄較為傳統(tǒng)的剛性材料固定結(jié)構(gòu)設(shè)計，而是選擇橡膠型的約束墊加以徑向式的固定，之后再利用金屬型的固定環(huán)及路線固定板對其進行軸向的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計。兩種性質(zhì)不同的材料互為作用，即能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品的內(nèi)部空間有效利用，又能夠增強容易損壞器件對高振動及高沖擊環(huán)境的承受力。

1.2 數(shù)量的變元

在對機械的結(jié)構(gòu)進行研發(fā)設(shè)計時，會經(jīng)常遇到各種需要加以調(diào)整和完善的設(shè)計元素，其中結(jié)構(gòu)變元法就是最簡單最基本的一種創(chuàng)新方法，即通過對結(jié)構(gòu)中各種元素過行調(diào)整和完善，從而實現(xiàn)產(chǎn)品性能及品質(zhì)的提升，應(yīng)用這種變元法對機械設(shè)計進行創(chuàng)新是最常用也是有效的。比如說，在進行鑄件基本結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計時，為了不讓螺栓產(chǎn)生膠落，會選擇螺釘或是彈簧式的墊圈做為設(shè)計元件。以物理學(xué)基本理論為基礎(chǔ)看，使用這種設(shè)計辦法可以改變在結(jié)構(gòu)設(shè)計中相關(guān)元素的選取數(shù)量。以便設(shè)計研發(fā)多種功能集于一身的機械零部件，不僅能夠?qū)C械整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到有效的優(yōu)化作用，還能有效節(jié)省機械產(chǎn)品的安裝過程。

1.3 尺寸的變元

在機械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中有各種不同大小的零部件，它們同整個設(shè)備的正常運行有著密切的聯(lián)系，對于零部件的生產(chǎn)規(guī)格和使用需求有相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)做支撐，也存在給機械設(shè)計帶來損壞的不利影響。如果要想避免出現(xiàn)以上各種問題，相關(guān)結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際科學(xué)合理的運用尺寸元素變元辦法，對設(shè)備零部件具體規(guī)格進行升級和完善，以便實現(xiàn)整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計性能的有效提升。

1.4 工藝的變元

機械產(chǎn)品的制造質(zhì)量取決于結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計和制造技術(shù)。其設(shè)計研發(fā)人員根據(jù)變元法的基本理論，以每個機械的零部件所具備的基本性能和準(zhǔn)確度以及安全保障作為基礎(chǔ)，進行相應(yīng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研發(fā)。按照機械工藝設(shè)計的制造標(biāo)準(zhǔn)，確保實現(xiàn)零部件的規(guī)格尺寸精準(zhǔn)無誤，確保零部件的外觀達(dá)到美觀性要求，從而對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量加以保障。

1.5 TRIZ的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對創(chuàng)新中遇到各種問題及困難時，首先要把所有限制的條件加以隔離，采用理想化思維對問題進行最終定義（idealfinal result，IFR），并以此對理想的解決方向及位置加以確定，從而確保在解決各種困難和問題時一直朝著即定方向及位置努力并最終取得理想的解決效果。由此可以有效防止傳統(tǒng)模式下的創(chuàng)新沒有目標(biāo)的問題，從而有效的提高了設(shè)計創(chuàng)新的質(zhì)量，推動了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的進程。TRIZ 產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新能夠把比較復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡單的問題，由此避免傳統(tǒng)設(shè)計中固化性思維以及單一性專業(yè)的知識影響，從而突破知識的邊界限制，實現(xiàn)跨領(lǐng)域和跨學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展。

2 最佳優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

以機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新方案而言，會對機械產(chǎn)品在實際中的應(yīng)用效果造成影響，因此在對方案進行選擇時要給予充分的重視，也可以預(yù)先設(shè)計好多種結(jié)構(gòu)方案，然后對這些方案進行對比和分析，最終選擇好最優(yōu)方案，在科學(xué)合理的對設(shè)計研發(fā)方案進行分析后，做好方案的平價工作，在進行評價時要選擇合理、科學(xué)的方法，大都數(shù)情況下都采用綜合模糊評判的方法進行，并且在評定的過程中要對其社會效應(yīng)、安全性能、維修保養(yǎng)、經(jīng)濟效益及操作性等影響因素加以考慮。若是再將社會經(jīng)濟等方面因素考慮進去，就要考慮機械產(chǎn)品是否容易出現(xiàn)障礙等；若是將經(jīng)濟效益等指標(biāo)因素考慮進去，就要考慮人員及成本兩個方面的因素；若是將可操作性因素考慮進去，就要考慮施工技術(shù)等方面因素，其中工藝技術(shù)是不是成熟是需要考慮的主要因素。綜合以上因素，在對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，需要針對產(chǎn)品的特征結(jié)果加以優(yōu)化改善，這樣不但可以對機械產(chǎn)品加以調(diào)整，還能對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計加以改進。另外針對結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部分及其零倍件需要進行數(shù)學(xué)分析模型的搭建，以便能夠更有效的完成優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用模型將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的各種特征加以全面反映，給產(chǎn)品的進一步改善和升級提供參考，實現(xiàn)對產(chǎn)品的綜合性改造。

3 機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計創(chuàng)新案例

本文在變元法基礎(chǔ)上，以TRIZ 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計變元法為例對其結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新的研發(fā)設(shè)計。在TRIZ 理論中認(rèn)為，相關(guān)創(chuàng)造性的問題中至少要包含一個方面的問題，主要類型分為技術(shù)型矛盾和物理型矛盾以及管理型矛盾。在機械產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)中，主要包含的矛盾有技術(shù)型矛盾和物理型矛盾，其中物理型矛盾指的是存在于系統(tǒng)內(nèi)問題，是由個別參數(shù)的負(fù)向要求造成的；而技術(shù)型矛盾指的是存在于系統(tǒng)內(nèi)問題，是由兩個參數(shù)造成。

通過TRIZ 分析后，如圖1所示，對矛盾點加以了確認(rèn)，對于矛盾點利用各種因素的變元法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計創(chuàng)新，并以此達(dá)到產(chǎn)品升級改造的目的。使用此法能夠有效提升單一元素變元法的研發(fā)效率及成功率。本文以在旋轉(zhuǎn)的情況下需要始終處于高壓力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求處在密封環(huán)境中仍具有高壓力，而且在旋轉(zhuǎn)時所受阻力要小，以便符合小電機的驅(qū)動要求。在對其進行設(shè)計創(chuàng)新時，要首先應(yīng)用TRIZ 產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計原理確認(rèn)物理型矛盾是該產(chǎn)品密封的設(shè)計問題，也就是說要將密封的效果要達(dá)到一定的要求，同時也對旋轉(zhuǎn)所能承受的阻力給出最低標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)矛盾的具體目標(biāo)及方向得到確定后，采取TRIZ 產(chǎn)品創(chuàng)新理論當(dāng)中的“復(fù)合結(jié)構(gòu)材料”，并用其替換掉均質(zhì)性的結(jié)構(gòu)材料，同時與變元法相結(jié)合對機械結(jié)構(gòu)進計設(shè)計創(chuàng)新，表1是密封圈硬度、壓縮量、壓力關(guān)系。

圖1 TRIZ設(shè)計創(chuàng)新的理論

表1 密封圈硬度、壓縮量、壓力關(guān)系表

在旋轉(zhuǎn)的密封的設(shè)計結(jié)構(gòu)當(dāng)中，經(jīng)常會用到O型圈對結(jié)構(gòu)進行密封，當(dāng)這種密封圈受到壓力導(dǎo)致變形后產(chǎn)生自封密效果，從而起到非常不錯的密封作用?？墒钱?dāng)O 型圈在受到壓力產(chǎn)生變形以后，由于橡膠自身的材質(zhì)特征與接觸面的增加，容易導(dǎo)致出現(xiàn)比較大的摩擦力。采取改變產(chǎn)品材料的特殊性來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，

相關(guān)O 型圈參數(shù)計算公式：

密封圈壓縮率的計算：

公式中：h0表示的是槽底到密封平面之間距離，單位：mm。ε 表示的是壓縮率。d0表示的是密封圈截面直徑，單位：mm。

密封圈拉伸量計算：

公式中：d 表示的是軸徑，單位：mm。d1表示的是O 型圈內(nèi)徑，單位：mm。d0表示的是O 型圈截面的直徑，單位：mm。

O 型圈設(shè)計選擇必須滿足一下三個條件：①密封圈必須具有足夠接觸的面積。②摩擦盡可能小。③材料應(yīng)達(dá)到使用持久不變形。

具體情況見下圖2展示：

圖2 O型圈設(shè)計

在O 型圈整個直徑的一半都涂覆具有摩擦小的一種聚氟乙烯（保護材料，從而達(dá)到對O 型圈材質(zhì)進行改變的目的。如下圖3所展示的，在結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)時，O 型圈在自密封的作用下能夠達(dá)到高壓環(huán)境中的密封要求，選用的PTFE 材質(zhì)由于具有較低的摩擦力，因此也會起到降低旋轉(zhuǎn)所受阻力的作用。

圖3 旋轉(zhuǎn)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過以上實驗以及相應(yīng)計算，選擇普通材質(zhì)的O型橡膠圈設(shè)計結(jié)構(gòu)，在高壓始終處于30 MPa 的環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)所受扭力是2.7 N。當(dāng)選擇PTFE 涂覆材質(zhì)進行O 型圈改造設(shè)計后，在高壓始終處于30 MPa 的環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)所受扭力只有0.38 N，可見已經(jīng)很好的實現(xiàn)了設(shè)計創(chuàng)新目標(biāo)。

4 結(jié)束語

我國目前在機械產(chǎn)品研發(fā)和制造方面，還存在許多問題和需要改進的地方，所以，要求從事機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的人員在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的過程當(dāng)中，要從實際出發(fā)充分結(jié)合產(chǎn)品特征創(chuàng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中突破傳統(tǒng)思維的束服，不斷拓展創(chuàng)新理念，科學(xué)合理的應(yīng)用參數(shù)變元方法，設(shè)計創(chuàng)新出即實用又經(jīng)濟的機械產(chǎn)品，從而實現(xiàn)機械設(shè)備的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng)，推動機械產(chǎn)品制造的進步和發(fā)展。