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第二章机械产品的创新设计2.1概述2.1.1创新设计的内涵•产品创新设计理论、方法与工具是基于现代设计理论和方法，应用微电子、信息、管理等现代科学技术，以提高产品质量、用户满意的价格和款式（造型色彩）、提高产品的功能、缩短产品开发周期为目的的一切设计技术的总称。产品创新理论、方法与工具技术研究的宗旨是从产品的工作特性和功能目标出发，在特定技术、经济和社会等具体条件下，根据相邻学科的原理，创新性地设计产品，并使它在技术及经济上达到最佳水平。该技术鼓励设计人员，从原来固有的常规设计模式中跳出来，用新观点、新原理、新方法来设计新产品。在发明了新产品后，在技术领先的有利条件下，将该技术领域扩展，并形成此方面的技术优势。•产品创新设计理论、方法与工具的研究范围大体可分为：产品创新设计、降低成本设计、快速设计、仿真与虚拟设计、智能设计、广义优化设计等设计技术。2.1.2创新的重要性•随着信息技术的迅速发展及其在各个领域的渗透，知识经济已见初见端倪，全球经济一体化趋势日益增强。可以看出，21世纪综合国力的竞争，主要是科学技术及创新性人才的竞争。•随着我国改革开放的深入，我国工业企业已经通过制造装备的引进，缩短了与发达工业化国家的差距。目前制约我国工业发展的关键，是如何提高技术创新能力和技术开发能力。所以提高知识与技术创新，是我国工业发展的迫切要求。我国机械制造业普遍存在产品落后、技术创新能力不足、市场低迷等情况，关键在于企业缺乏快速响应市场的新产品开发及制造技术创新的机制和能力。•随着我国市场的进一步开放以及进入世界贸易组织，我国民族工业产品与国外产品的竞争必将越来越激烈，增强知识与技术创新能力是民族产业取得成功的关键因素之一。2.1.2创新的重要性•江泽民在1995年全国科学技术大会上的讲话中指出：“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。如果自主创新能力上不去，一味靠技术引进，就永远难以摆脱技术落后的局面，一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界先进民族之林”。江泽民高屋建瓴的讲话充分阐明了创新的重要性、紧迫性，也引起了整个社会对创新的关注，创新已成为了目前社会的一个重要音符：•科研上，国家科技部在制定863计划中，明显加大了对有创新的点子的支持，而不像以前那么重视研究的成功率，有时科研失败也能获得非常宝贵的经验；•商业上，风险资金制度已基本完善，一个人，只要有好的创意，就很有可能获得风险资金，开拓自己的事业；•生活上，风靡一时的脑筋急转弯打破常规思路，给出意外的答案，不仅在生活中随处可见，而且在近几次春节晚会上也成为小品节目的主要创作手段；许多地方和高校不但成立了创新协会，而且还要举办创新设计大赛。2.1.2创新的重要性•现在越来越多的教育家、人才学家一致认为，古今中外在各个领域里做出重大贡献的杰出人物，他们所共同具有的最关键的必要条件，既不是得天独厚的过人的天资，也不是令人羡慕的难得的机遇，而是卓越出众的创新能力。我们国家要培养诺贝尔奖获得者，就必须重视在教育中贯穿创新能力的培养。•要迎接科学技术突飞猛进和知识经济迅速兴起的挑战，最重要的是坚持创新。创新能力是人的能力中最重要、最宝贵、层次最高的一种能力。它包含着多方面的因素，其核心因素是创新思考能力。正如爱因斯坦所说：“人是靠大脑解决一切问题的。”人头脑中的创新思考活动是人的创新实践活动的“骨髓”、“基石”。没有思考中的创新，就没有实践中的创新。一个民族的进步，需要有不断创新的产品来推动，创新设计思想的形成需要系统的培养才能达到。2.1.3现状及国内外发展趋势•二战以后的几十年来，各主要发达工业国家先后开始重视起对设计技术的研究，如英国从60年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广设计新技术；德国提出“设计就是科学”，且其设计学的发展已初具规模；美国成立有“设计委员会”。日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、美学和人机学的一体化整体，并极力推广和采用新技术，从而大大提高了机械产品在国际市场的竞争力。近年来，在国际上每年召开一次与设计有关的国际会议，探讨设计的新理论和新方法。•我国工业产品设计的发展经历了一个曲折的过程。以前都是凭借设计者的经验，以模仿为主，故局限性大。从20世纪60年代开始，加强了新产品的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。到了20世纪80年代，开始在国内介绍一些国际上的先进技术与方法。同时将计算机引入设计领域，对设计工作的发展起了很大的推动作用。2.1.3现状及国内外发展趋势•在创新设计方面，随着科技和经济的迅速发展，计算机在设计领域的应用已越来越广阔，创新也由原来的仿生法、智爆法、联想法、形象思维法和阵列法等基于认知的方法（CognitiveApproach）过渡向基于系统的方法（SystemApproach）方向发展，对设计进程和设计对象进行建模、模拟人类的认知思维模式，极大地推进了创新设计的自动化，并且利用系统论和信息论的研究成果，创新设计开始向智能化发展。•近几年来，我国在创新设计技术方面开展对产品功能原理创新、结构创新和形态创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究创新设计技术中的原理方案设计目录（PCDC）、创新问题求解理论（TIPS）、材料选择，从而通过对原理方案的优选、分解和组合来产生新的原理方案；利用求解理论解决工程系统中新的需求与不能满足要求的旧系统之间的冲突问题，以及利用不同的材料选择来达到完全创新的设计结果。2.2创新设计的基础•1、宽广的知识面与良好的知识构成•知识创新是通过科学研究获得新的基础科学和技术科学知识的过程。创新知识包括科学发现和科技发明两个方面，而技术创新大多为后者。发明创新或技术创新是利用自然科学原理或规律，进行创新思维的过程和结果。所以，要提高机械科学与工程研究中的创新能力，就必须掌握宽广的自然科学知识。•作为创新性人才，在知识爆炸的今天，获取知识显得十分重要。宽广的知识面就像是创新的仓库，当知识面越宽，面临问题时的解决方法就会越多。就如遗传算法、神经网络等数学方法一出来，就被应用到了许多领域，正是因为这些领域的专家学者关心专业以外的学科发展，才能及时地把其它学科的成果应用到本专业中。2.2创新设计的基础•一个宽广的知识面如果没有一个好的知识构成来支撑它，最终也将成为无用的知识。我国解放初期对大学生的知识构成要求不太合理，那时的要求是“又红又专”，除了所学专业及政治外，其它知识甚少。而且专业分类相当细，机械学科中连焊接都是一个本科专业。这样的知识构成，必然导致解决实际问题的能力差，创新能力不强，这是我国应试教育盛行的必然后果。由于这个现象，十五年前，国家教委进行了新一轮的教改方案，方向很明确：淡化专业，重视基础，强调动手能力的培养。•由于当今社会不同学科间的交叉渗透逐渐增强，掌握不同学科的知识，塑造复合型人才显得尤为重要。如果一个学生能同时精通机械与美术两学科，那他就能在工业设计上大显身手。•学科一旦上升到了哲学高度，它们之间都是互通的。一门学科往往能从其它学科中吸取许多有用的思想方法。2.2创新设计的基础•2、重视创新思维的训练•创新思维方法有很多，但其中的逆向思维方法和发散思维方式是我们应该注重的两种思维方式。在科研过程中，往往有许多的中间试验会失败，甚至会得到与期望相反的结果。遇到这种情况也并非都是坏事，要善于使用逆向思维法。因为对于研究目标相反的事物，失败恰恰是一个成功的结果。如在寻找减摩固体润滑材料的过程中，却很可能发现了某种耐磨材料。在研究某种难加工材料时，却有可能发明刀具材料。•一旦我们有了创新发明，发散思维就会大有用处。对于双容塑料瓶，就可以运用发散性思维，不但可以用在装两种配方的洗发液上，而且可以用在沐浴露、洗发素和护发素、等。只要抓住了双容瓶的最根本特征“隔离化学成分”，而两种化学成分在使用时却需要一起用的，或同样的用法却需要在不同时段内用的，一切满足这条件的物品都可以用双容塑料瓶来包装。•重视创新思维的训练，在平时多注重这方面的培养，才能在创新设计上左右逢源。2.2创新设计的基础•3、多观察，勤思考，不断改进现有产品。•创新设计的很大部分在于对现有产品的改进。创新来源于实际需求。如果在生活中你会想，要是这个产品怎样改一下就好了，当你这样想，一个创新的源泉就形成了。然而我们往往缺乏重视这样的源泉，许多企业只满足于目前状况，不去找产品不足之处并加以改进，从而丧失了很多商机。我国景德镇的瓷器举世闻名，但它生产出来的瓷茶杯在西欧却未能竞争过有些对手。原因之一是，我们没有设想一下西欧人用中国茶杯有没有不方便的地方。亚洲有个国家的商人却注意到了西欧人用瓷茶杯喝茶的情景：西欧人的鼻子特别高，用中国生产的茶杯喝茶，鼻子会老碰着杯子。于是他们开动脑筋研制了一种斜口杯，西欧人用它来喝茶喝水，就不必再担心鼻子会碰到茶杯了。仅仅做了这么一点小小的改进，使他们制造的瓷杯在销售量上就超过了我国景德镇生产的瓷杯。创新是企业的立足之本，而要创新，企业就不应该满足现状，不该只停留在照搬模仿，也不甘于循规蹈矩，而要不断追求完善。当今社会已进入个性消费时代，如果仅仅停留在原有的水平而不前进的话，很快就会被社会所淘汰。由于人们不断追求完善，整个社会才会更加美好！2.2创新设计的基础•4、积极动手，培养创新精神，学好基本的创新技能，积累创新设计经验。•再好的产品创意，也需要动手才能实现。许多人有好的想法，但一直让它停留在脑海里而不付之于行动，这是一种很大的浪费。有许多事只有动手做了才知道成不成，就如索尼特有的单枪三束彩色显像管特丽珑（Trintron）技术，就是尝试了几年常规方法的失败后，最终动手试试“单电子枪，同走三束电子光会怎么样？”，这才导致了最终的成功。用这种原理制成的彩色显示器，亮度与对比度比普通显示器提高30%，所以它至今仍是高端领域的首选。有许多现实问题，只有在动手后才能发觉，所以动手是创新设计中不可缺少的一环。•不断的动手，不断的失败，只要能坚持下去，就培养了创新精神。2.2创新设计的基础•创新精神表现为锲而不舍，对选定的创新目标不懈追求，不达目的，决不罢休。只有这样，才能在想方设法实现目标的过程中取得创新和突破。失败本身并不可怕，可怕的是没有承受失败的能力。•日本著名的本田技研，最初只生产摩托车，从二十世纪六十年代才开始设计制造汽车。由于当时的汽车业已非常发达，竞争十分激烈，刚制造汽车时的感受是“百分之九十九的失败产生百分之一的成功”，但公司从零开始，坚持不懈地努力创新，目前已成为日本第二大汽车制造企业，每年汽车的产销量是整个中国的几倍。本田成功的一个很大原因是能承受失败，并且永不言败。•学好基本的创新技能，就是要求能动手把创新的意思表达出来。学机械专业的，设计的产品往往不能用手做出来，通常用三视图来表达。然后这种三视图只局限于专业技术人员中，一个复杂的设计往往不能很好的表达，在当今产品中曲面运用越来越普遍的情况下更是如此。2.2创新设计的基础•所以现在的本科生应该熟练掌握一门三维设计软件，现在高档的软件能做任何形状的曲面，而且产品设计完后，还能看到照片级真实的产品效果。而且建立的模型还能用于有限元分析，运动学与动力学分析，NC代码自动生成等设计后处理，这样便能大大增强设计的表达方法以及提高设计效率。学好了创新技能，别人可以更容易了解设计作品内涵，产品的成功率当然也就提高了。由于计算机技术的发展，创新也可以求助于计算机了。目前美国已开发了基于原苏联的发明创新方法学（TRIZ）理论而开发的计算机辅助创新软件。TRIZ研究人员组织分析研究了世界近250万件发明专利，综合多个学科领域的原理、法则形成了TRIZ的理论体系。其主要目的是研究人类进行发明创新、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。这种软件的问世，对于降低创新设计的难度，具有重要意义。2.2创新设计的基础•积累创新设计经验。从失败中找原因，总结经验教训。只有不断总结，才有进步，“失败是成功之母”，许多的成功都是在不断避免失败后才产生的。如索尼的开发人员在随身听的内置麦克