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机械系统创新设计机械工程与自动化学院机械设计系姚立纲第四章创新设计方法第一节群体集智法一、智力激励法二、书面集智法三、函询集智法（德尔菲法）第二节系统分析法一、设问探求法二、缺点列举法三、希望点列举法四、特性列举法五、形态分析法1)有无其他用途?现有事物还有没有新的用途?或稍加改进能扩大它的用途?2)能否借用?能否借用别的经验?有无与过去相似的东西?能否模仿点什么?3)能否改变?意义、颜色、活动、音响、气味、式样、形状等能否作其他改变?4)能否扩大?能否增加什么?时间、频度、强度、高度、长度、厚度、附加价值、材料能否增加?能否扩张?5)能否缩小?能否减少什么?再小点?浓缩?微型化?再低些?再短些?再轻些?省略?能否分割化小?能否采取内装?6)能否代用?能否取而代之?其他材料?其他制造工艺?其他动力?其他场所?其他方法?7)能否重新调整?可否更换条件?用其他的型号?用其他设计方案?用其他顺序?能否调整速度?能否调整程序?8)能否颠倒过来?可否变换正负?颠倒方位?反向有何作用?9)能否组合?混成品、成套东西是否统一协调?单位、部分能否组合?目的能否综合?主张能否综合?创造设想能否综合?设问探求法被称为“创造技法之母”，它适合各种类型和场合的创造性思考，主要基于以下几点原因：例：自行车的新创意以自行车为创新设计对象，运用设问探求法提出有关自行车的新产品概念，结果如表所示。序号设问项目新概念名称创意简要说明1有无其它用途多功能保健改进自行车、组合式多功能家用健身器2能否借用自助借用机动车传动原理，成为自助车3能否改变太空改变传统形态，椭圆形链轮，设计出太空车例：自行车的新创意序号设问项目新概念名称创意简要说明4能否扩大新型鞍座扩大鞍座、舒适、储物5能否缩小儿童儿童微型车6能否代用新材料新材料、轻便、高强度例：自行车的新创意7能否重新调整长度可调调整前后轮距、缩小占地空间8能否颠倒可后退开发可后退自行车、方便使用9能否组合自行车水泵三轮小型水泵与自行车结合，方便农村使用设计三轮自行车、供两人同乘五、形态分析法1、形态分析的特点因素和形态是形态分析中的两个基本概念。因素指构成某种事物的特性因子。如工业产品，可以用若干反映产品特定用途或功能作为基本因素。相应的实现各功能的技术手段，则称之为形态。将“控制时间”作为某产品的一个基本因素，那么“手动控制”、“机械定时器控制”和“电脑控制”等技术手段，则为相应因素的表现形态。形态分析是对创造对象进行因素分解和形态综合的过程。这一过程中，发散思维和收敛思维起着重要的作用。创造过程中，应用形态分析法的基本途径，是先将创造课题分解为若干相互独立的基本因素，找出实现每个因素要求的所有可能的技术手段(形态)，然后加以系统综合而得到多种可行解，经筛选可获得最佳方案。2、形态分析法的运用程序1)因素分析因素分析确定创造对象的构成因素。分析时，要使确定的因素满足3个基本要求：一是各因素在逻辑上彼此独立；二是在本质上是重要的；三是在数量上是全面的。如何满足这些要求？确定哪些共同的子系统或过程，确定可能影响最终方案的重要因素理解因素的本质及重要性避免因素彼此包含或不重要避免遗漏因素，导致创造性设想遗漏。2)形态分析列出多因素可能的全部形态(技术手段)。要求发散思维列出满足功能要求的多种技术手段列出本专业领域的和其他专业领域的3)方案综合采取形态学矩阵或综合表的形式形态学矩阵综合表，若因素为A、B、C，对应的形态分别为3、5、4个，则理论上可综合出3×5×4＝60个方案。如A1-B2-C3为一组方案。在全体方案中，既包含有意义的方案，也包含无意义的虚假方案。形态因素AA1A2A3BB1B2B3B4B5CC1C2C3C44)方案评选要对可行方案进行评选，找出最佳的可行方案。评选时先要制订选优标准，一般用新颖性、先进性和实用性三条标准进行初评，再用技术经济指标进行综合评价，好中选优。例：运用形态分析法探索新型单缸洗衣机的创意1907年手动洗衣机1910年电动洗衣机例：运用形态分析法探索新型单缸洗衣机的创意“托尔”电动洗衣机海报1922铸铝桶体旋转洗衣机1)因素分析从洗衣机的总体功能“洗涤衣物”，得到“盛装衣物”、“分离脏物”和“控制洗涤”等分功能，作为形态分析的3个因素。2)形态分析对应分功能因素的形态，是实现这些功能的各种技术手段或方法。为列举功能形态，应进行信息检索，密切注意各种有效的技术手段与方法。在考虑利用新的方法时，可能还要进行必要的试验，以验证方法的可利用性和可靠性。3个分功能中，“分离脏物”是最关键的功能因素，列举其技术形态或功能载体时，要针对“分离”二字广思、深思和精思，从多个技术领域(机、电、热、声等)去发散思考。3)列形态学矩阵并进行方案综合经过一系列分析和思考，在条件成熟时即可建立起表所示的洗衣机形态学矩阵。理论上可组合出4×4×3＝48种方案。因素（分功能）形态（功能解）1234A盛装衣物铝桶塑料桶玻璃钢桶陶瓷桶B分离赃物机械摩擦电磁振荡热胀超声波C控制洗涤人工手控机械定时电脑自控4)方案评选方案1：A1-B1-C1是一种最原始的洗衣机。方案2：A1-B1-C2是最简单的普及型单缸洗衣机。这种洗衣机通过电动机和V带传动使洗衣桶底部的波轮旋转，产生涡流并与衣物相互摩擦，再借助洗衣粉的化学作用达到洗净衣物的目的。方案3：A2-B3-C1是一种结构简单的热胀增压式洗衣机。它在桶中装热水并加进洗衣粉，用手摇动使桶旋转增压，也可实现洗净衣物的目的。方案4：A1-B2-C2所对应的方案，是一种利用电磁振荡原理进行分离脏物的洗衣机。这种洗衣机可以不用洗涤波轮，把水排干后还可利用电磁振荡使衣物脱水。方案5：Al-B4-C2是超声波洗衣机的设想，即考虑利用超声波产生很强的水压使衣物纤维振动，同时借助气泡上升的力使衣物运动而产生摩擦，达到洗涤去脏的目的。其他方案。。。。。。图示为超声波洗衣机的基本原理。先在洗衣桶1内放人要洗的衣物和洗衣粉，并注入适量的水。启动电磁式气泵4，压力风经气泵送气管5，风量调节器7和送气管6至桶底部的空气分散器2，产生微细气泡，并在桶内上升。微细气泡相互碰撞，当逸出水面时破裂。气泡破裂时产生50～30000Hz的超声波，尤其是20000Hz以上的超声波，可以产生很强的水压，使衣物纤维振动，产生洗涤作用。在超声波乳化作用的短时间内，衣物的油脂或污垢被分离。磁悬浮无水洗衣机Orbit开始工作后，放入脏衣服的圆球会被磁浮力来推动，而这个速度可以把二氧化碳与有机物质产生像干冰的气流。整个洗衣过程不会产生噪音，时间也只需数分钟而已。磁悬浮无水洗衣机其操作过程非常简单：首先用户将衣服放入不碎玻璃制造的球体内(不需洗衣粉和水)，然后透过顶上的触控按键开机，最后把它放在环状机上的底座板就可以了。第三节联想类比法一、联想法联想是从一概念想到他概念，从一事物想到他事物的一种心理活动或思维方式。联想思维由此及彼、由表及里，形象生动、无穷无尽。联想犹如心理中介，通过事物之间的关联、比较、联系，逐步引导思维趋向广度和深度，从而产生思维突变，获得创造性联想。1、相似联想相似联想是从某一思维对象想到与它具有某些相似特征的另一思维对象的联想思维。这种相似，既可能是形态上的，也可能是空间、时间、功能等意义上的。传统的金属轧制方法如图所示，两轧辊反向同速转动，板材一次成型。采用这种方法，由于一次压下量过大，钢板在轧制过程中极易产生裂纹。日本为解决上述问题冥思苦想，当技术员看到用擀面杖擀面时，其连续渐进、逐渐擀薄的过程，由此联想，发明了行星轧辊，使金属的延展分为多次进行，消除了钢材裂纹，取得专利。美国工程师斯潘塞在做微波空间分布情况的试验时，发现衣兜内的巧克力被熔化。常温下什么原因使巧克力熔化呢?斯潘塞分析是微波使巧克力内部分子发生振荡，从而产生热能。他由此联想到，微波能熔化巧克力，一定也会使其他食品由于内部分子振荡而受热，通过联想发明了微波炉。为提高汽油在气缸中的燃烧效率，必须使汽油与空气均匀混合。美国工程师道立安看到用喷雾器往身上喷洒香水形成均匀雾状的形态而联想到了使空气和液体均匀混合的方法，从而发明了汽车化油器。章动齿轮的工作原理源于一个在桌面上绕圆周摆动的硬币。章动传动它将重锤2与浮子1浮力的平衡原理以及将回转运动变换成直线运动的运动变换原理加以联想和扩展，并将两者巧妙组合，从而发明出简单可靠的记录仪。浮子1的升降转变为小齿轮3的转动，从而带动固接有记录笔的齿条4移动，在钟表发条机构5驱动下作匀速转动的卷筒纸上，就可得到液位升降记录。图示为液面升降自动记录仪。2、接近联想接近联想是从某一思维对象想到与它有接近关系的思维对象上去的联想思维。接近关系可能是时间和空间上的，也可能是功能和用途上的，还可能是结构和形态上的等等。俄国化学家门捷列夫在1869年宣布的化学元素周期表仅有63个元素。他将其按质量排列后，看到了空间位置的空缺，其空间位置的接近性使他产生联想，进而推断出空间位置有尚未被发现的新元素，并给出了基本化学元素属性。美国发明家威斯汀豪斯一直希望寻求一种同时作用于整列火车车轮的制动装置。当他看到在挖掘隧道时，驱动风钻的压缩空气是用橡胶软管从数百米之外的空气压缩站送来的现象时，运用接近联想，脑海里立刻涌现了气动刹车的创意，从而发明了现代火车的气动刹车装置。这种装置将压缩空气沿管道迅速送到各节车厢的气缸里，通过气缸的活塞将刹车闸瓦抱紧在车轮上，从而大大提高了火车运行的安全性，至今仍被广泛采用。3、对比联想客观事物之间广泛存在着对比关系，诸如冷与热、白与黑、多与少、高与低、长与短、上与下、宽与窄、凸与凹、软与硬、干与湿、远与近、前与后、动与静等等。对比联想就是由事物间完全对立或存在某些差异而引起的联想。由于是从对立的、颠倒的角度去思考问题，因而具有背逆性和批判性，常会产生转变思路、出奇制胜的良好效果。l901年时的除尘器只能吹尘，飞扬的尘土令人窒息。英国人赫伯布斯运用对比联想，吹尘不好，吸尘如何?他用捂着手绢的嘴试着吸尘土，结果成功了，他继而发明出带有灰尘过滤装置的负压吸尘器。在曲柄摇杆机构中，即使曲柄匀速转动，摇杆摆动的角速度也并不均匀。工程中，有时希望摇杆能获得近似均匀的角速度。曲柄摇杆机构是将主动件曲柄的匀速转动变成从动件的变速运动，反过来，让变速运动的摇杆作主动件，就可使曲柄作匀速运动，若不作整周转动，即可得匀速摆动。图示为输出件近似匀速摆动的连杆机构。该连杆机构由两个曲柄摇杆机构对称串联而成，前一机构中变速摆动的摇杆3正是后一机构中的主动件。该机构中输出件1能够获得120°～150°摆角的近似匀速的摆动运动，其角速度曲线如图。4、强制联想强制联想法是综合运用联想方法而形成的一种非逻辑型创造技法，是由完全无关或亲缘相当远的多个事物及间接之间，牵强附会地找出其联系的方法。例如，椅子和面包之间的强制联想，能引发出：面包—软—软呼呼的沙发；面包—热—局部加热的保健椅，如按摩椅、远红外保健椅等。建筑师萨里受委托在纽约肯尼迪机场设计一座建筑。柚子那漂亮的外壳使他联想到了与之风马牛不相及的建筑，因而设计出了完全流线型式样、把弯曲和环转包涵其内的世界一流建筑。二、类比法比较分析两个对象之间某些相同或相似之点，从而认识事物或解决问题的方法，称为类比法。类比法以比较为基础。将陌生与熟悉、未知与已知相对比，这样，由此物及于彼物，由此类及于彼类，可以启发思路，提供线索，触类旁通。采用类比法关键是本质的类似，并且不但要分析本质的类似，还要认识到它们之间的差别，避免生搬硬套，牵强附会。1．拟人类比拟人类比是将人设想为创造对象的某个因素，设身处地想像，从而得到有益的启示。拟人类比将自身思维与创造对象融为一体。在人与人关系中，设身处地地考虑问题；以物为创造对象时，投入感情因素，将创造对象拟人化，体验问题，产生共鸣，从而悟出某些无法感知的因素。2．直接类比将创造对象直接与相类似的事物或现象作比较称为直接类比。直接类比简单、快速，可避开盲目思考。类比对象的本质特征愈接近，则成功率愈大。2．直接类比物理学家欧姆将电与热从流动特征考虑进行