創(chuàng)新設計在機械結(jié)構(gòu)設計的應用

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

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設計；機械結(jié)構(gòu)設計；重要性；應用

0引言

目前，在機械結(jié)構(gòu)設計中使用創(chuàng)新設計已經(jīng)得到相關(guān)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(fā)揮機械結(jié)構(gòu)設計的作用。機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計通常采用變元法。該方法使用起來比較簡便，在創(chuàng)新設計過程中使用邏輯化思維能夠?qū)崿F(xiàn)對可變元素的系統(tǒng)化梳理，在此基礎上進一步應用基于發(fā)明問題的解決理論(TRIZ)創(chuàng)新設計理論，可以進一步提高機械結(jié)構(gòu)設計的效率。

1創(chuàng)新設計對機械結(jié)構(gòu)設計的重要性

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

2創(chuàng)新設計在機械結(jié)構(gòu)設計中的應用

2.1材料變元

在機械結(jié)構(gòu)設計的過程中，通常要按照不同的結(jié)構(gòu)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(wěn)定可靠的機械結(jié)構(gòu)。例如，在玻璃外表易損器件的固定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，從而達到將敏感光學器件運用在高沖擊高振動環(huán)境中。在易損器件的固定設計中，摒棄了傳統(tǒng)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(huán)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(chǎn)品內(nèi)部空間，而且提高了易損器件在高沖擊高振動環(huán)境中的可靠性。

2.2數(shù)量變元

在機械結(jié)構(gòu)設計過程中，經(jīng)常存在很多需要進行細微調(diào)整的元素，而最為簡單的變元方法就是通過改變設計結(jié)構(gòu)中基礎元素的數(shù)量來實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整。這種創(chuàng)新方式非常普遍[2]。例如，在對鑄件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中存在的元素數(shù)量，設計出集多功能于一體的零件，不但可以優(yōu)化整體的機械結(jié)構(gòu)，而且可以簡化機械結(jié)構(gòu)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(xiàn)結(jié)構(gòu)設計的最優(yōu)化，即把元器件長寬高的參數(shù)都進行適當改變。

2.4工藝變元

機械產(chǎn)品的質(zhì)量由機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案，根據(jù)制造工藝的相關(guān)要求，來保證零件的精準度與外觀的美觀性，以保證機械產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.5位置變元

在進行機械結(jié)構(gòu)設計的過程中，通過改變機械結(jié)構(gòu)中每個零件的位置來實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在對焊縫位置進行分配的過程中，可以適當?shù)匕蚜慵{(diào)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(wěn)定。

2.6外形變元

機械結(jié)構(gòu)外型的改變也可以實現(xiàn)對整體產(chǎn)品性能的改變。在確保機械產(chǎn)品外形美觀的前提下，設計人員需要對機械結(jié)構(gòu)的外形展開優(yōu)化設計，以此來進一步提高產(chǎn)品的精確度，從而實現(xiàn)對整體產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

2.7TRIZ創(chuàng)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(tǒng)創(chuàng)新中缺乏目標的弊端，進而加快創(chuàng)新設計的進程、提高創(chuàng)新設計的質(zhì)量。TRIZ創(chuàng)新設計可以將復雜問題簡單化，從而擺脫傳統(tǒng)固化思維和單一的專業(yè)知識，打破知識領域界限，實現(xiàn)跨學科、跨領域的創(chuàng)新設計突破。

3機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計實例

以基于TRIZ創(chuàng)新設計理論的變元法設計為例進行創(chuàng)新設計。TRIZ理論認為，創(chuàng)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(shù)矛盾和管理矛盾3類。在機械結(jié)構(gòu)設計中，矛盾主要為物理矛盾和技術(shù)矛盾：物理矛盾是指系統(tǒng)中的問題由一個參數(shù)正負方向要求導致的；技術(shù)矛盾則是指系統(tǒng)中的問題由2個參數(shù)導致。在經(jīng)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(chuàng)新性設計，從而達到預期的效果。這種創(chuàng)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(zhuǎn)狀態(tài)下保持高壓力的結(jié)構(gòu)為例，這種結(jié)構(gòu)需要在一定的密封結(jié)構(gòu)以保持高壓力的狀態(tài)，同時旋轉(zhuǎn)阻力又需要足夠小以滿足小電機的驅(qū)動能力。在創(chuàng)新設計時，首先通過TRIZ創(chuàng)新設計理論確定物理矛盾為該結(jié)構(gòu)的密封設計，既需要密封結(jié)構(gòu)達到一定的密封效果，又對由密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(chuàng)新發(fā)明原理中第40項“復合材料”—用復合材料替代均質(zhì)材料，并結(jié)合材料變元的方法對密封結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性設計。在需要旋轉(zhuǎn)的密封結(jié)構(gòu)設計中常用○型圈來作為密封結(jié)構(gòu)，通過○型圈受壓力變形后的自密封作用，可產(chǎn)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(zhì)的特性和接觸面變大，會產(chǎn)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(shù)很小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡寫為PTFE)材料，改變○型圈本身材質(zhì)的特性。當旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(zhì)本身具有的摩擦系數(shù)低的特點也可以達到旋轉(zhuǎn)阻力小的要求。經(jīng)過實驗，采用普通橡膠材質(zhì)○型圈設計，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時，旋轉(zhuǎn)扭力為2.7N。采用涂覆了PTFE材質(zhì)○型圈設計，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時，旋轉(zhuǎn)扭力僅為0.38N，達到設計要求的目標。

4結(jié)束語

從機械設計的現(xiàn)狀來看，在之后的機械創(chuàng)新設計過程中還存在很多需要改進的地方。在機械結(jié)構(gòu)設計的過程中，應該加大對創(chuàng)新設計的應用力度，以提高機械結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量與效率，從而促使機械制造行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]吳小四,營夢,張芹,等.四足平臺機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)中心