计算机辅助概念设计在机械产品中的应用

周玉兰

(苏州市电子信息技师学院,江苏 苏州 215008)

0 引言

以知识为基础的新产品竞争是当前全球化制造环境下各个企业技术竞争的核心。一个新的机械设计产品在功能、原理、布局、形状、结构、人机操作、外观设计和工艺等任意一个方面的创新[1]，都直接影响机械产品的整体特性，最终影响机械产品的市场竞争力。

目前，大部分机械产品创新主要是对过去的相关经验与知识进行分解、组合，实现新的使用功能，创新性是衡量机械产品开发成功与否、是否具有市场发展前景和竞争力的基本要素，国内外目前都将机械产品的创新能力作为产品开发的重要组成部分[2]。

在机械产品设计过程中，产品的概念设计是突出表现机械产品创新性的主要阶段。大量实践结果表明，机械产品的创新性主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形态和结构等方面[3]，因此，机械产品的概念设计对于实现机械产品的创新性十分重要。在机械产品的概念设计阶段，对机械产品的需求进行详细分析，尽可能识别并且表现出机械产品的设计需求，在后期详细设计阶段，基于计算机完成对大量繁琐的具体设计要求进行计算，明确机械设计产品的尺寸设计方案、形状、工艺要求和结构等，因此，基于计算机辅助概念设计可以对创新性要求较高的机械产品设计原理和构思进行优化[4]。

1 计算机辅助概念设计的内涵及特点

1.1 设计原理构思在概念设计中的作用

机械产品的设计原理构思对于机械设计过程十分重要，不同的工作设计构思与概念直接影响后续设计过程。在机械设计过程中，首先要对机械产品的初始化设计方案进行优化与选择，给出方案分析的具体尺寸与详细设计方案，然后再对其工作原理、运动和动力进行分析，得到机械产品的相关性能指标，最后通过对设计方案进行综合评价与排序，寻找最优设计方案。

1.2 概念设计的内涵

目前，关于计算机辅助概念所涉及相关定义较多，研究人员指出，概念设计主要是明确机械产品设计的具体要求和条件，需要设计人员具有充分的工程科学、专业知识、产品工艺加工和市场运行等各方面的知识，最后做出机械产品全生命周期最优的机械设计方案与决策。因此，概念设计主要是指根据机械产品生命周期各个阶段的要求，进行机械产品功能创造、功能分解和子功能结构设计，进行满足机械产品功能和结构要求的工作原理方案设计与系统优化。

综上所述，计算机辅助概念设计主要包括功能创新、功能分析、功能结构图设计、工作原理确定和功能载体方案构思等。计算机辅助概念设计是机械产品设计的前提和核心，只有将概念设计优化才可以促进机械产品设计达到更高水平。但是传统机械产品设计主要依靠设计人员进行概念设计，未来应该加强计算机辅助概念设计和专家系统的基础上实现机械产品的设计与优化，进一步开发更具有使用价值的计算机辅助概念设计系统。

1.3 概念设计的特点

1.3.1 创新性

创新是机械设计的核心，只有进行创新才能得到结构新颖、性能优良和具有核心竞争力的机械产品，其创新可以是多层次的，如结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修复和增加高层次的创新活动都属于机械产品概念设计的主要范围。

1.3.2 多样性

辅助概念设计的多样性主要体现在机械产品设计路径和设计结果的多样化。在进行概念设计中，不同的功能定义、功能分解和工作原理等会产生不同的设计思路和设计方法，进而在机械产品的功能载体设计上产生完全不同的解决方案。

1.4 TRIZ理论

TRIZ理论的核心是机械产品进化理论，主要是对现有机械产品进行分析，发现冲突并解决冲突。TRIZ设计过程是不断循环，形成产品的简化。冲突对于解决机械产品设计问题十分重要，对于不同设计中的具体冲突有所不同，为了对设计问题进行统一描述，相关研究人员通过对250万项专利的分析研究，TRIZ理论提出39个通用工程参数，并按照其特点可以分为3类：物理及几何参数；技术正向参数；技术参数。

2 基于用户需求的机械概念设计基本工作过程

基于用户需求对机械产品辅助概念设计方法及工作过程进行分析，采用质量功能展开(QFD)辅助机械产品设计与工作决策流程。

2.1 基于用户需求的概念设计方法

基于用户需求的概念设计主要是从用户实际需求为出发点，进而机械设计人员确定产品的功能需求，分解产品的结构，依据功能设计模型进行合理、有效地综合分析，得到产品的概念设计方案，最后对概念模型进行综合评价，明确最佳概念设计方案，基本工作流程如图1所示。

图1 基于用户需求的概念设计过程示意图

2.2 QFD工作过程与步骤

1)首先在明确用户需求后，采用合适的调研途径进行市场分析与调研，全面获取用户对产品的需求。

2)在综合用户需求信息后，对用户需求的权重进行分析，不同的需求在产品设计过程中有不同重要性，因此需要对用户需求进行权重分析，更加精准地定位用户需求。

3)市场竞争能力分析，对现有的同类产品进行对比，对其市场竞争力进行分析，为新型机械产品的开发提供更加明确的设计目标。

4)明确产品设计特性，产品设计及质量特性主要是在满足用户需求的基础上，将机械产片的设计属性与用户需求之间形成关系矩阵。

5)构建质量屋，经过上述步骤后，构建相应的质量屋(图2)，将前一段的分析结果作为模型输入，然后开始产品的开发。

图2 质量屋关系图

3 TRIZ创新设计实例

3.1 悬挂式铧式犁

悬挂式铧式犁是农业生产中的基本农机具，也是目前我国使用最为广泛和普遍的一种农机具，具有作业灵活、应用范围广泛等特点，但是悬挂式铧式犁在田间工作过程中，犁在完成一个工作行程出土后，犁臂上会黏上一些泥土，清理不及时会增加工作阻力，影响犁的工作效率。

应用TIRZ理论解决冲突，需要改变的工程技术参数主要包括形状、运动物体的能量、可制造性和可操作性，将工程参数放入TRIZ冲突解决矩阵中可以得到以下4条设计原理。

1)曲面化。改变犁臂和铧犁所构成的犁体曲面形状，保证泥土更加容易从犁体上自动滑落。

2)振动。犁出土后，保证犁自身处于振动状态，振落黏附在犁体上的泥土。

3)自动除尘。利用犁出土后的上升运动给犁体提供气流，使黏附在犁体上的泥土被吹落。

4)复合材料。将犁体材料由单一的钢铁改为不与泥土黏附的复合材料，犁出土后，泥土自动脱落。

通过对所得设计原理进行分析可知，耕地质量和效率与犁臂和犁铧构成的犁体曲面结构有直接的关系，而且目前不与泥土黏附的复合材料尚未成熟，因此，曲面化原理和复合材料较难实现，而振动原理、自服务原理一般只需要增加一个液压装置就能实现。

3.2 水稻育秧架的优化

传统的大棚育秧方法对大棚的利用率低，严重限制产苗效率，立体式育秧技术提高了效率，但又存在资源分配不合理、秧苗标准化程度低、劳动强度大等问题。为了解决以上问题，采用TRIZ理论设计一款回转式立体育秧架，实现生长资源的合理分配利用，降低了育秧的劳动强度，为水稻育秧提供良好的生长条件。

应用的TRIZ理论主要包括以下几种。

1)技术矛盾。改善的参数——生产率；恶化的参数——系统的复杂性。因此，应该充分利用大棚的设施及资源，在保证秧苗素质的前提下，最大程度地提高大棚土地利用率和秧苗生产率。

2)物理矛盾。育秧大棚的体积既要增大又要减小。

3)方法。时间分离原理、标准解法、因果链分析、物-场分析、九屏图分析、资源分析、最终理想解等。

通过上述分析，可以利用水稻育秧大棚系统的空间资源(棚内地面上的空间)和功能资源(人工补光)、棚架子系统的功能资源(放置秧盘的变形桁架)得出方案，充分利用棚内的立体空间，设计一种可进行人工采补光、方便拆卸的回转式育秧架(图3)，此种育秧架占大棚一定的体积，充分利用棚内空间，解决了层叠秧架造成的光照不充分的问题，采补光方便，提高生产率的同时也保证了秧苗的质量。

图3 新型回转式水稻育秧架

4 结论

当前，计算机辅助概念设计作为机械设计的重要环节与技术支撑，正在向智能化、数字化和集成化方向发展，其研究内容越来越深，涉及范围越来越广泛，但是目前计算机辅助概念设计仅仅停留在实现方法和技术层面，未来应该进一步深入研究概念设计与内在变化规律，尤其是思维认知规律，未来计算机辅助概念设计应该从以下几个方面进行改进与优化：

1)概念设计的行为机理。研究概念设计的行为表现有助于更加深入地揭示概念设计的内在本质，并且开发更加高效的计算模型。主要研究内容包括非逻辑过程机理、非逻辑与逻辑统一、创新表现过程机理等。

2)概念设计创新实现。除了依靠计算机的逻辑计算能力，概念设计创新实现必须依靠人的潜能，通过人机协作，如可视化等虚拟手段，激发设计人员的创造性思维，并且与机器计算相互结合实现创新设计，其主要突破难点是如何将人的操作与机器算法有效结合。

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