机械结构的创新设计及其优化

摘 要：本文介绍了机械结构创新的变元法的七种方式，通过实例来阐述各种变元法的应用和功能。选取变元法之后可以通过模糊综合评价的方法对每一种方案进行评判。之后针对某种重要部件来做专项优化，进而实现整个机械结构的完善创新和综合优化。

关键词：机械结构；优化设计；创新

1 结构创新设计新方法—变元法

结构设计作为机械设计过程中至关重要的组成部分，所完成的工作是按照的机械原理进行机械图纸的设计。变元法是由德国科学家发明的方法，主要应用于机械相关设备的结构图纸的设计，其特点是具有创新性。本文针对变元法作出了一定的修改和完善，目的是让这种方法更容易被应用和理解。变元法在机械行业及相关领域有较为广泛的应用。我们在使用变元法的完成结构设计的过程中，是以完成这种产品的基本结构为前提，再进行其他新型设计思路的研发。

变元法的含义主要包含两个方面：一方面，机械结构方面，这方面的变元法主要包括七个种类；另一方面，针对这部分的变元进行改变，创新性的实现不同种类的结构设计。以下是对7个变元的阐述：

1.1 数量变元

数量变元指的是研究机械设备的所有的零部件或构件的全部的外形、工作面以及生产的点、线、面等都看做是构成零部件的基本元素，对这些基本元素的数据进行修改，完成针对机械设备构件的优化的目标。例如：为了实现简化的目的，在设计铸件零件的外形时，多使用直线设计的外形轮廓。

1.2 形状变元

形状变元指的是从机械的形状方面对机械结构的外形和重要轮廓、加工表面以及所使用零部件的种类和尺寸进行优化调整，进而得出多种结构的创新设计，从而对整个机械进行优化调整。机械设计过程中这类因素的创新是把机械设备的运行原理转化为设计图纸的过程。例如，火力发电厂的冷渣机，为了能够把高温炉渣以最快的速度降低温度，技术人员采用了形状变元的方法对冷渣机进行优化设计，改变原有的单腔体为多腔体，提高了降低温度速率这一难题。

1.3 材料变元

零部件选取多种类型的材料一般会改变这种零件的尺寸，进而生产工艺也会相应的变化，以至于改变了整体机械的外形和构造。我们可以针对材料的改变而设计出多种类型的构造方案。

1.4 位置变元

位置变元指的是按照机械设备的构造位置的改变，实现多种类型设计方案的形成。例如，在针对焊缝零部件的焊接方法时，选择焊缝的位置非常重要，当我们选择在中心轴附近时，避免了零件由于收缩造成的弯曲变形。

1.5 联接变元

联接变元指的是在设计过程中应该注意元素的两个方面：一方面，我们需要确定元素联接方法的改变。例如，工作中常见的焊接、热熔连接等；另一方面，我们需要研究针对任意一种联接方式的不同类型的联接结构的创新，进而得到不同类型的方案。例如，儿童玩具在设计过程中要尽量做到安全联接，我们可以设计成卡扣联接方式，这样不容易出现小孩误食螺丝的现象。

1.6 尺寸变元

尺寸变元指的是高度、宽度、直线度、弯曲度等方面的内容。技术人员在针对这些元素进行创新设计时，一般侧重于改变零件的尺寸。完成对机械系统构件完善的目的。例如，技术人员想提升粉碎机的物料目数，针对动力副在整体机构上的相对位置做出了改变，进而完成了粉碎目数的提升，效果是原来的2倍。

1.7 工艺变元

设计和工艺的关系是相互衔接和相辅相成的。每种零部件的加工方法和制造工艺各不相同，各类零部件与设备的加工和制造质量、生产周期、成本和使用年限也千差万别，进而制约着设备产品的构造。按照相应产品的工艺特性，结合使用以上7类变元，按照进行

根据所设计机械产品的特点， 灵活地运用上述7个变元， 同时设计者依据所具备的知识、经验，运用创造性思维方法， 如类比、推理、归纳、模拟、想象、直觉及灵感等， 可构思出很多种结构方案。

2 精密仪器与精密机械结构创新的必要性

当今社会是科技高速发展的时代，测量设备和机械构造的设计理念和方式都进行着完善和提升。如何让青年人可以快速的适应企业对适应性和才能的要求，成为我们大家亟待思考的问题。因此，在进行实习设计的课程教学过程中，引入前沿的、适应企业需求的人才培养方法和相应的实习方式和装备变成了必须考虑的问题。所有的测量设备或控制装置都具有相应的适应所在系统需求的系统或构造，那么在测量设备、控制装置确定的机械结构设计需求的基础上，如何使用先进的设计思路和多种类型的机械构造构件进行优化整合，建造适应系统需求的高端机械构件，是我们当前工程设计的重要方法。

根据企业对人员的需求，按照建造机械系统和构造的整个阶段，依据以往的经验，侧重对机械设计的基础内容、方式、理念的研究；注重对系统构造的探索；注重研究、分析问题的方式方法和创新水平的提升。建立一整套面向企业所需求的能够操作精密设备和高科技仪器人才的培养方式非常重要。

3 结构方案的评价与优化

为了得到最优化的方案，我们针对所有的方案都进行了全面的分析研究，按照模糊综合评价的方法实现所有方案的评判。首先选定的评判指标是在构造方案的性能标准、经济效益、可实现性、保养维修以及技术性能等方面进行选取。通过这种全面的评价方式在所有方案中选择出最适合的方案。其次是在完成上述评价之后，针对整个系统中主要的零件和构件建立模型，通过对数学模型的的计算完成模型的优化设计。在建立数学模型的过程中，完善数学模型以达到尽量复合机构的运动特征，这样的数学模型得到的数据结果能够为机械结构的研究分析和产品优化提供更为真实准确度数据，最终实现产品结构的最佳结构设计。

数学模型可以表达机械构造中的各类变元，但是也有一些变化是不能够或者较难描述。当我们在优化设计中过度的依靠数学模型的数据，那么我们就被模型所局限而不能实现真正意义上的完善合理的优化设计，同时也很难被应用在实践当中。另外，我们还应该针对机械结构中的主要零件或者构件进行可靠性和有限元方面的研究分析，针对机械系统中的转动件和力矩分析，来实现从多角度为机械设备结构进行全方位的优化分析，来实现优化设计的创新研究。

参考文献：

[1]陈小强.刘京诚精密机械结构设计创新实验[J].实验技术与管理，2008（07）.

作者简介：董立占（1971-），男，山东嘉祥人，本科，副教授，研究方向：机电一体化。

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