摘要：近些年，随着社会的快速发展，带动了我国各个领域的进步。机械工程是以自然和技术科学等物理知识为基础学科，进行机械的设计、制造及维修工程，结合实际生产经验，研究新技术、新方法解决实际问题。装备工业各个方面的机械设备，根据不同的使用目的，设计制造专门的机械装备。如今，很多机械设备的结构设计已经很成熟，随着人们生活水平的提高，日常设备和制造业机械设备均需要更新换代，在机械结构设计中引进新方向，优化目前的机械设备内外部结构，使设备更高效、便捷。有必要对机械结构设计进行创新设计进行研究，引进思维创新元素，推动机械行业的应用与发展。
关键词：机械结构设计；应用；创新设计
引言
从工业革命以来，在二百多年的工业化进程中，创新设计一直是推动和发展前沿技术的永恒动力，创新设计既是发展生产力的源泉，也是生产力发展的结果。技术的创新会带来产品的更新优化，也会创造出全新的科技成果。创新成果离不开创新设计，而创新设计的方法和思维来源，更是创新设计的核心问题，特别是在机械结构设计当中，创新设计思维的应用是一直不断探索的课题。
1机械结构设计
机械结构主要由各种机械零件组成。机械结构设计首先必须满足功能性要求，使得产品能达到某种机械作用。通过对零件的原材料、尺寸、加工方式、热处理方法、机械动作、性能、外观、维修等诸多因素考虑，设计出合格的产品结构。机械结构设计需要对产品有多方面要求，包括功能、可靠性、工艺性、经济性、外观、运输等多方面。
2创新设计在机械结构设计中的应用方式
2.1材料变元
在机械结构设计的过程中，通常要按照不同的结构类型选择不同的材料，在选择材料时，通过材料变元可以得到很多意料之外的成果。通过改变材料的特性，或者利用材料特性设计更稳定可靠的机械结构。例如，在玻璃外表易损器件的固定结构设计中，可利用柔性材料和刚性材料不同的特性，设计一种能够提高敏感光学器件抗冲击能力的结构，从而达到将敏感光学器件运用在高冲击高振动环境中。如图1所示，在易损器件的固定设计中，摒弃了传统刚性固定的设计，采用了橡胶约束垫进行径向的固定，然后通过金属固定环和固定线路板进行轴向固定的设计。2种不同特性的材料相互作用，不仅可以最大限度地利用产品内部空间，而且提高了易损器件在高冲击高振动环境中的可靠性。
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图1材料变元在创新设计中的应用
2.2产品数量变元法
对机械来说，其最小的构成部分是机械零件，为提高机械的整体产能，机械零部件的性能是关键。机械设计者在选择零部件的时候要考虑其材质和性能，并进行合理的优化和创新。在产品的测试阶段，机械设计者需要对每个零件进行使用频率、安全性能、环保节能以及精确性等方面的综合考评。此外，还要对零件的综合测评指标进行优胜劣汰的考评，综合调整产品的组成数量和排序，以提升产品的结构和性能。
2.3位置变元法
交换零件的位置能改变相同数量和材料零件机械产品的特性和功能，设计者必须保证机械结构设计时的尺寸变元，不断找到最佳的零件应用尺寸，实现零件应用方案的优化。除了要注重零件的性能外，还应该对零件的外形、尺寸进行一定的变化或者修正，保证机械结构运转的正常。在平时对机械结构设计时，应该尽量缩小零件的尺寸，并将机械结构设计模块化，以便内部零件的不断协调运行，直接缩小机械结构的外形。
2.4形状元素的设计应用
变元法是指通过改变机械的内部或外部结构设计，来实现机械预期的性能指标。形状元素的创新设计，是指设计机械外表形状，令机械性能够满足形状元素的创新设计，合理调整零件的规格，令机械构件的结构性能愈发完善。比如，在弹簧的设计理念中，主要通过弹力来压紧零件。通过将形状元素创新设计，使弹簧形状、类型的选择更加多样化，令压紧件的形状可以改变。需要注意的是，实际设计中需要充分考虑弹簧与零件之间的距离，合理施加压紧力，保障机械零件的整体结构质量。
2.5工艺变元
机加工工艺是指利用机械加工的方法，按照图纸的图样和尺寸，使毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质成为合格零件的全过程。在产品结构设计过程中，设计师需要对加工工艺有全面的了解。只有掌握产品的加工工艺，才可以设计出优秀的产品。通常在实际生产过程中，由于各种原因会使得设计出来的产品加工方式不是优选方式，在某个工序过程中需要耗费过多的资源去满足工艺要求。这个时候，采用工艺变元法的创新设计能够大大优化产品的生产过程。
2.6尺寸变元
尺寸是机械结构组成的基本因素之一。设计师在设计结构的时候，通过尺寸调整，可以改变原材料尺寸，节约采购成本；通过尺寸调整，可以改变加工设备规格，降低加工成本；通过尺寸调整，可以降低仓储空间、周转空间、运输空间，进而减少费用。对于公差尺寸的调整，往往降低公差尺寸会改变加工方式、加工设备，减少加工工时，节约成本。提高尺寸公差，会增加零件配合性能，调高设备的稳定性，提高产品的使用寿命。在结构的创新设计过程中，我们往往采取双向创新。通过降低部分尺寸公差已减少原材料采购、加工、装配、包装运输等方面的成本。与此同时提高关键尺寸的公差等级达到更好的机械性能。
3机械结构设计的优化创新方法
3.1保障結构的社会效益与系统可行性
当今，对机械结构的创新设计主要是采用变元法，其可以有效改变机械结构设计的影响因素，获取新的结构设计和创新方法。然而，在实际运用变元方法时，还需要结合市场需求，综合考虑经济、性能、设计的形状、材料品质以及数量等多个方面的因素，并针对此类元素制定有针对性的设计和优化设计方案。对企业而言，由于创新和优化产品的最终目的是保障企业的经济效益，因此结合市场的需求和自身的竞争力进行有效的设计是其考虑的最重要的因素。在机械设计时，要求设计者结合实际需要和企业未来的发展，保障经济收益的同时考虑方案的可行性。
3.2 TRIZ设计创新理论
TRIZ理论阐述了发明问题的核心：解决冲突。冲突就是在达到预期目标同时还要满足非唯一条件的问题，解决冲突的原则就是改进系统中任一结构或性能的同时，不能对同一系统中的相邻结构或性能产生不良作用。冲突分两类，一类，是物理冲突，物理冲突是指，要求其中的某子系统做出与子系统性能相反的行为时产生的冲突，这导致系统中的某部分同时出现两种完全相反的行为或状态，这一问题是由一个系统指数的变动而产生的。另一类，是技术冲突，这是指系统中增强某一部分的性能而对系统产生了有害或利害各半的结果，或者，有益元素的的加入或有损元素的清除引起他的子系统消极变化，技术冲突是由两个系统性能指数导致的。
结语
机械结构创新设计不仅有以经验为基础的试验创新，也有宏观方法论的理论体系创新，无论哪一种，都是机械领域重要的创新设计方法，在面对实际结构问题时，经验与方法论两类创新思路既是相互弥补，也是相互检测，只有两者有机的结合，才是不断提高机械创新设计的最佳方案。当然，随着技术不断发展，还会有更加巧妙的创新思路出现，这要依赖于科研工作者的不懈奋斗和努力，相信创新设计将是永恒的话题。
参考文献：
[1]蒋良荭，刘濛，王逸鸣.创新设计在机械结构设计中的应用研究[J].兵工自动化，2019，38（7）：41-42+51.
[2]蒋良荭，刘濛，王逸鸣.创新设计在机械结构设计中的应用研究[J].兵工自动化，2019，38（7）：41-42+51.
[3]杨仪伟，董超群．TＲIZ在机械产品创新设计中的应用［J］．科技信息，2011（07）：69+414．
论文作者:骆林威
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
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