创新设计在机械结构设计中的应用研究

王 博，邓鹏程，李 渊，罗金成，邹 辉

（1.北京航天发射技术研究所，北京 100000；2.航天系统部装备部军事代表局，北京 100000；3.四川新川航空仪器有限责任公司，四川德阳 618300）

目前，机械设备结构设计的研发和创新得到国家以及各个行业的普遍关注和广泛重视，创新对于机械设计具有非常重要的意义，它是推动机械持续发展的原生动力，只有通过创新才能让机械结构得到不断改进和提升，才能更好的适应建设需求，才能满足人们日益增长的工作和生活需要。

1 创新结构设计在机械结构设计中的应用

1.1 材料的变元

在对机械进行结构创新的设计中，一般需要根据各种类型结构选择各种材料，在对制造材料进行选择时，根据对制造材料进行变元能够获得许多意想不到的收获。通过对制造材料的特殊性能进行改变，或是应用机械材料自身特性研发出具有更加可靠和更加稳定的结构设备。比如说对容易损坏的玻璃外表器件进行固定设计时，其设计结构可以针对材料在柔性及刚性方面的不同特征，设计研发一款可以增强光学敏感器件抵抗冲击的机械结构，由此实现把光学敏感器件应用到具有较高的冲击性振动的环境中来。

对容易坏损的器件做固定结构设计时，放弃较为传统的刚性材料固定结构设计，而是选择橡胶型的约束垫加以径向式的固定，之后再利用金属型的固定环及路线固定板对其进行轴向的固定结构设计。两种性质不同的材料互为作用，即能够实现对产品的内部空间有效利用，又能够增强容易损坏器件对高振动及高冲击环境的承受力。

1.2 数量的变元

在对机械的结构进行研发设计时，会经常遇到各种需要加以调整和完善的设计元素，其中结构变元法就是最简单最基本的一种创新方法，即通过对结构中各种元素过行调整和完善，从而实现产品性能及品质的提升，应用这种变元法对机械设计进行创新是最常用也是有效的。比如说，在进行铸件基本结构的研发设计时，为了不让螺栓产生胶落，会选择螺钉或是弹簧式的垫圈做为设计元件。以物理学基本理论为基础看，使用这种设计办法可以改变在结构设计中相关元素的选取数量。以便设计研发多种功能集于一身的机械零部件，不仅能够对机械整体的结构设计起到有效的优化作用，还能有效节省机械产品的安装过程。

1.3 尺寸的变元

在机械设备内部结构当中有各种不同大小的零部件，它们同整个设备的正常运行有着密切的联系，对于零部件的生产规格和使用需求有相应的产业做支撑，也存在给机械设计带来损坏的不利影响。如果要想避免出现以上各种问题，相关结构研发设计人员应根据实际科学合理的运用尺寸元素变元办法，对设备零部件具体规格进行升级和完善，以便实现整体机械结构设计性能的有效提升。

1.4 工艺的变元

机械产品的制造质量取决于结构研发设计和制造技术。其设计研发人员根据变元法的基本理论，以每个机械的零部件所具备的基本性能和准确度以及安全保障作为基础，进行相应结构的创新研发。按照机械工艺设计的制造标准，确保实现零部件的规格尺寸精准无误，确保零部件的外观达到美观性要求，从而对产品的性能和质量加以保障。

1.5 TRIZ的创新结构设计

在对创新中遇到各种问题及困难时，首先要把所有限制的条件加以隔离，采用理想化思维对问题进行最终定义（idealfinal result，IFR），并以此对理想的解决方向及位置加以确定，从而确保在解决各种困难和问题时一直朝着即定方向及位置努力并最终取得理想的解决效果。由此可以有效防止传统模式下的创新没有目标的问题，从而有效的提高了设计创新的质量，推动了结构创新的进程。TRIZ 产品的设计创新能够把比较复杂的问题转化为简单的问题，由此避免传统设计中固化性思维以及单一性专业的知识影响，从而突破知识的边界限制，实现跨领域和跨学科创新发展。

2 最佳优化的产品结构方案设计

以机械产品结构设计的创新方案而言，会对机械产品在实际中的应用效果造成影响，因此在对方案进行选择时要给予充分的重视，也可以预先设计好多种结构方案，然后对这些方案进行对比和分析，最终选择好最优方案，在科学合理的对设计研发方案进行分析后，做好方案的平价工作，在进行评价时要选择合理、科学的方法，大都数情况下都采用综合模糊评判的方法进行，并且在评定的过程中要对其社会效应、安全性能、维修保养、经济效益及操作性等影响因素加以考虑。若是再将社会经济等方面因素考虑进去，就要考虑机械产品是否容易出现障碍等；若是将经济效益等指标因素考虑进去，就要考虑人员及成本两个方面的因素；若是将可操作性因素考虑进去，就要考虑施工技术等方面因素，其中工艺技术是不是成熟是需要考虑的主要因素。综合以上因素，在对产品结构进行设计时，需要针对产品的特征结果加以优化改善，这样不但可以对机械产品加以调整，还能对产品结构的设计加以改进。另外针对结构中关键部分及其零倍件需要进行数学分析模型的搭建，以便能够更有效的完成优化结构设计。利用模型将产品结构的各种特征加以全面反映，给产品的进一步改善和升级提供参考，实现对产品的综合性改造。

3 机械产品结构的设计创新案例

本文在变元法基础上，以TRIZ 创新结构设计变元法为例对其结构进行创新的研发设计。在TRIZ 理论中认为，相关创造性的问题中至少要包含一个方面的问题，主要类型分为技术型矛盾和物理型矛盾以及管理型矛盾。在机械产品的设计结构中，主要包含的矛盾有技术型矛盾和物理型矛盾，其中物理型矛盾指的是存在于系统内问题，是由个别参数的负向要求造成的；而技术型矛盾指的是存在于系统内问题，是由两个参数造成。

通过TRIZ 分析后，如图1所示，对矛盾点加以了确认，对于矛盾点利用各种因素的变元法对产品结构进行设计创新，并以此达到产品升级改造的目的。使用此法能够有效提升单一元素变元法的研发效率及成功率。本文以在旋转的情况下需要始终处于高压力状态的结构产品为例，此产品结构要求处在密封环境中仍具有高压力，而且在旋转时所受阻力要小，以便符合小电机的驱动要求。在对其进行设计创新时，要首先应用TRIZ 产品创新结构设计原理确认物理型矛盾是该产品密封的设计问题，也就是说要将密封的效果要达到一定的要求，同时也对旋转所能承受的阻力给出最低标准。当矛盾的具体目标及方向得到确定后，采取TRIZ 产品创新理论当中的“复合结构材料”，并用其替换掉均质性的结构材料，同时与变元法相结合对机械结构进计设计创新，表1是密封圈硬度、压缩量、压力关系。

图1 TRIZ设计创新的理论

表1 密封圈硬度、压缩量、压力关系表

在旋转的密封的设计结构当中，经常会用到O型圈对结构进行密封，当这种密封圈受到压力导致变形后产生自封密效果，从而起到非常不错的密封作用。可是当O 型圈在受到压力产生变形以后，由于橡胶自身的材质特征与接触面的增加，容易导致出现比较大的摩擦力。采取改变产品材料的特殊性来实现结构设计创新，

相关O 型圈参数计算公式：

密封圈压缩率的计算：

公式中：h0表示的是槽底到密封平面之间距离，单位：mm。ε 表示的是压缩率。d0表示的是密封圈截面直径，单位：mm。

密封圈拉伸量计算：

公式中：d 表示的是轴径，单位：mm。d1表示的是O 型圈内径，单位：mm。d0表示的是O 型圈截面的直径，单位：mm。

O 型圈设计选择必须满足一下三个条件：①密封圈必须具有足够接触的面积。②摩擦尽可能小。③材料应达到使用持久不变形。

具体情况见下图2展示：

图2 O型圈设计

在O 型圈整个直径的一半都涂覆具有摩擦小的一种聚氟乙烯（保护材料，从而达到对O 型圈材质进行改变的目的。如下图3所展示的，在结构进行旋转时，O 型圈在自密封的作用下能够达到高压环境中的密封要求，选用的PTFE 材质由于具有较低的摩擦力，因此也会起到降低旋转所受阻力的作用。

图3 旋转创新结构设计

通过以上实验以及相应计算，选择普通材质的O型橡胶圈设计结构，在高压始终处于30 MPa 的环境中，旋转所受扭力是2.7 N。当选择PTFE 涂覆材质进行O 型圈改造设计后，在高压始终处于30 MPa 的环境中，旋转所受扭力只有0.38 N，可见已经很好的实现了设计创新目标。

4 结束语

我国目前在机械产品研发和制造方面，还存在许多问题和需要改进的地方，所以，要求从事机械产品结构设计的人员在进行结构设计创新的过程当中，要从实际出发充分结合产品特征创新产品结构，要在产品结构设计中突破传统思维的束服，不断拓展创新理念，科学合理的应用参数变元方法，设计创新出即实用又经济的机械产品，从而实现机械设备的社会效应和经济效应，推动机械产品制造的进步和发展。