形态分析法在复杂机械零件表达中的应用

马智英

（山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049）

形态分析法在复杂机械零件表达中的应用

马智英

（山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049）

通过对美国加州理工学院兹维基博士“形态分析法”的介绍，总结出了其解决问题的要点。另外，对复杂零件表达在机械工程图学教学中的重要地位和存在的典型问题进行了讨论，并在对零件表达方案的构成要素和要素形态与该法进行类比分析的基础上，提出将“形态分析法”应用于复杂零件的表达，由此建立了一套应用的程式和教学策略。这不仅为课程教学提供了解决问题的理论和方法，也将为学生的后续发展产生积极地影响。

形态分析法；复杂零件；表达方案；要素；形态

一、形态分析法

二次世界大战时期，法西斯德国研制成功了带脉冲发动机的F-1型巡航导弹和F-2型火箭，并将其作为核心机密。不甘落后的美国集中了一批优秀科学家进行火箭研制，在研制过程中，美国加州理工学院的兹维基博士首先分析了火箭必须具有的六个基本要素：1.使发动机工作的媒介物；2.与发动机相结合的推进燃料的工作方式；3.推进燃料的物理状态；4.推进动力装置的类型；5.点火的类型；6.做功的连续性。又分析了各基本要素具有的可能形态：1.有真空、大气、水等四种；2.有静止、移动、振动、回转等四种；3.有气体、液体、固体等三种；4.有内藏、外装、没有等三种；5.有自点火、外点火等两种；6.有持续的、断续的等两种。然后运用数学中的排列组合原理，得到了4×4×3×3×2×2=576种火箭方案，其中包括了德国F-1型和F-2型的构造方案。最后美国轻而易举地获得了与德国同样的先进方案，在军备竞赛中赶上了德国。这就是兹维基博士创造的形态分析法。

形态分析法的要点总结如下：

1.分析要素：分解对象为若干项独立的基本构成要素；

2.分析形态：列举各基本构成要素具有的可能形态；

3.排列组合：以基本要素和可能形态分别为列与行组成数学上的形态矩阵，再排列组合出可能的构造方案；

4.选取最佳：从多量的构造方案中选取最佳方案。

二、机械工程零件的表达

对机械类专业学生而言，在工程图学课程中培养出来的零件表达能力，是后续进行专业基础课程、专业课程学习的“学习基础”，也是进行机械设计、实习的“实践基础”，更是毕业后从事产品设计、制造、技术开发、设备管理等方面工作不可或缺的“工作基础”。其重要性，也充分体现在了历届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛的题型上。

机械零件的应用与结构形状千变万化，但按结构特点可分四类：轴套类、轮盘盖（回转盖）类、支架类、箱体类。在教学中，对于轴套类和轮盘盖（回转盖）类零件，因结构较为简单，按工程图学一般的方法和特点确定其表达方案，学生容易掌握规律，非教学难点。而对于支架类和箱体类零件，因结构较为复杂和多变，若按工程图学一般的方法和特点确定其表达方案，学生难以掌握规律，往往出现两类典型问题：一是因为学生对各种表达方法理解不透彻，导致表达方法在表达方案中的应用混乱、甚至错误；二是确定出的表达方案数量单一，所以不能确定出最佳表达方案或不能自信为最佳表达方案。可以说，确定复杂零件的表达方案不仅是机械类工程图学课程的教学重点，更是教学难点。

三、形态分析法应用于复杂零件的表达

分析零件表达方案，认为其由表达各组成部分外部结构形状特征的视图组成，有基本视图和斜视图，而视图具有的表达方法主要有局部视图、剖视图、断面图等或仍为视图。将视图视为零件表达方案的构成要素，将视图具有的表达方法视为要素形态，于是提出可将形态分析法应用于复杂零件的表达，以解决上述两类典型问题。

如对图1所示阀体确定表达方案，程式如下：

第一步：分析结构。

第二步：选择视图（即分析要素）：以“明显反映各组成部分形状特征”为原则，从六“基本视图”中，选择必需的几个，若零件具有倾斜的局部结构，还要选择“斜视图”。见图2“选择视图”。底部小凸台形状特征为圆形，可通过其直径尺寸的标注以反映形状特征，所以不予选择仰视图。

图1 阀体

图2 阀体的视图选择和表达方法选择

第三步：选择表达方法（即分析形态）：以“将外部、内部结构表达完整、清楚”为原则，对第二步选择的四个视图从基本视图、局部视图、剖视图、断面图等方面选择“尽可能多的可以采用的表达方法形态。见图2“选择各种表达方法”。

第四步：排列组合：四个视图可能的表达方法形态可以组成1（1）①a、1（1）①b、1（1）②a、1（1）②b、1（1）③a、1（1）③b...... 3（3）③a、3（3）③b至少为3×3×3×2=54个的表达方案，很多学生感觉不可思议。

第五步、确定最佳表达方案：依据确定零件表达方案的两点原则“首先考虑看图方便，需将所有结构表达完整、清楚”和“其次考虑画图方便，需采用数量少又简单的图形”，同时尽量避免表达重复，对照图2逐一分析多量方案，就可以很容易地确定出1个或几个最佳表达方案，例如1（3）①b、1（2）①a、2（2）①a、3（1）②a等。这个过程可以是逻辑的分析、判断过程，也可以是非逻辑的直觉思维过程。

第六步完善最佳表达方案：对最佳表达方案中的视图和表达方法补充必要的标注，以完善最佳表达方案。如对1（3）①b、2（2）①a补充必要的标注，见图3和图4。

图3 对1（3）①b表达方案补充必要的标注

图4 对2（2）①a表达方案补充必要的标注

四、形态分析法应用于复杂零件表达的教学策略

（一）横向拓宽

进行上述三中第二步时，引导学生横向拓宽选择视图，拓宽顺序为主视图→俯视图→左视图→右视图→后视图→仰视图→斜视图，从中选择必需的能够反映清楚各组成部分形状特征的几个视图，数量在横向“够用”为度。

（二）纵向挖掘

进行上述三中第三步时，鼓励学生纵向挖掘，大胆地进行发散思维，对第二步所选择视图可以采用的各种表达方法，数量在纵向”充分“挖掘。

（三）思维激励

组织课堂4人小组讨论，主要目的是通过多人思维的交流，让学生思维相互”启发“激励，以取得多量的表达方法形态。

（四）徒手表达

对所选择的视图和表达方法，建议学生采用徒手绘图的方式以表达，格式如图2，便于组成形态矩阵。根据具体零件的具体要求，只对最佳表达方案采用尺规绘图或CAD绘图方式以表达。

五、形态分析法应用于复杂零件表达的宏观意义

形态分析法应用于复杂零件表达的微观意义在于解决了教学过程中出现的典型问题，而宏观意义在于：

1.帮助学生建立运用创造性思维方法解决问题的思想观念。形态分析法被后人称为创造技法，学生在熟练其基础上，可以运用其解决学习、生活及工作中遇到的复杂问题。

2.训练学生的创造性思维能力。第三点中第二步、第三步需要运用想象、联想、发散思维形式，第五步需要运用集中思维甚至直觉思维形式，这些均为创造性思维形式，可以说形态分析法应用于零件表达，是学生较为系统地训练和提高学生创造性思维能力的好机会。

3.提高学生现代工程技能。形态分析法应用于零件表达的同时，强调和强化学生徒手绘图，可以奠定学生良好的后续学习基础和现代工程素养。

［1］秦骏伦.创造学与创造性经营［M］.北京：中国人事出版社，1995：97-100.

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We summarize the key point to solve through introducing the morphological analysis of Dr.Zwicky in California Institute of Technology.In addition，the important position of the expression of complex parts in the teaching of mechanical engineering graphics and existing typical problems are discussed.It proposes that morphological analysis should be applied to the expression of complex parts on the basis of analogy analysis between components and forms of components of the expression of complex parts and morphological analysis.Therefore，we can establish an application program and teaching strategies.It not only provides problem-solving theory and method for class teaching，but also produces positive influence on students' following development.

morphological analysis；complex parts；expression program；components；form

G642

A

2096-000X（2016）20-0257-03

马智英（1965-），女，山东寿光人，本科，山东理工大学农业工程与食品科学学院副教授，主要研究方向为现代工程图学教育与教学，学生创造性思维培养。