创新设计第二章2课件

1、机 械 创 新 设 计武汉理工大学物流工程学院物流自动化系第 二 章 创造性思维与方法创造性的理论基础创造性的理论基础 突变论 突变论是研究客观世界非连续性突然变化现象的一门新兴学科，自上世纪70年代创立以来，十数年间获得迅速发展和广泛应用，引起了科学界的重视。 “突变”一词，法文原意是“灾变”，是强调变化过程的间断或突然转换的意思。 突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。 突变论与耗散结构论、协同论一起，在有序与无序的转化机制上，把系统的形成、结构和发展联系起来，成为推动系统科学发展的重要学科之一。创造性的理论基础创造性的理论基础 突变论 在自然界和

2、人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。 为什么说突变论是创造性的理论基础? 因为突变是原有极限的突破,新生事物的产生所必须的。 思维过程中突变的结果就是创造的开始。 人类的创造与创新在于认识这一突变的规律,主动地发现与运用突变是人类无限发展的关键。创造性的理论基础突变创造的原理压力原理 人的智力只有在各种主客观要素的强大压力场内,才能真正释放出全部能量。 经济压力:穷则思变。 穷就是一种压力,富产生惰性。 压力是驱散惰性,激发强烈的

3、事业心,求知欲和探求精神的最有效的杠杆。创造性的理论基础 自然压力: 自然压力迫使人们为生存,为扩大自己活动的范围,积极地改造自然,这是激发创造的重要因素。轰击原理 人的智力要用信息去触发。 人只有在大量的高档的信息的触发作用下，才能使自己的智力获得形成、发展和被开发利用。因此，设法增加信息量，提高信息的质量，加速传递速度，如多看一些相关资料，参加各种学术交流活动，这一切都是用信息轰击大脑的有效方法。创造性的理论基础流动原理 世界上不存在任何绝对停滞不变的东西，一切都在运动，即流动。由一种形式转化为另一种形式。 生命的本质在于能量流动，能量流动停止，生命也就结束。人只有在相对稳定和定向流动之中

4、，才能充分发挥自己的智力。 流动是自然和社会现象中重复出现的普遍现象。 流动有个方向渠道问题，盲目的流动会破坏平衡，因此必须按一定原则流动。创造性的理论基础流动原理 流动原则： 按兴趣和爱好流动：强烈的兴趣可以集中人的注意力，使人深入到所钻研的问题中去。 按受阻迁回方式流动：人遇到某种阻力，可以象河水一样迂回流动，到适合于自己智力的地方去。 按学术发展方向流动：顺应科学发展的潮流，如当今的节能型社会。 按一定时期的战略需要流动: 把个人的兴趣与国家的战略统一起来，根据国家战略的要求调整，选择项目，要在相对自主的前提下，善于根据战略要求流动，才能真正体现出科学技术迅速转化成生产力的强大作用。创造

5、性的理论基础调节原理 创造应该有一个固定的目标，但也不能始终盯死在这一目标上，应根据创造者的实力，社会环境以及种种条件的变化对原有的目标进行适当的动态调节。 选好创造目标是人尽其才的基础，如果选择不当，纵有天赋也会受到压抑。更不要做力不能及的事。创造性的理论基础综合法则突变创造的法则 所有的创造方法都是根据基本法则实现的，有的是几个法则的组合运用。所以研究基本法则是很重要的。 综合不是将对象各个构成要素的简单相加，而是使综合后的整体作用常常会导致创造性的新发现。 综合是在分析的基础上进行的，是一种科学思维方法。 工程技术综合是先把研究对象分解为各个层次和各种因素，并分别加以研究，分析其本质，特

6、性和优劣，不是简单的叠加，而是按其内在联系，合理地组合起来形成新的技术系统和结构。 在机械创新设计实践中，我们可以发现许多综合创造的成果。 创造性的理论基础创造性的理论基础美国一位未来学家曾经说过一个观点，“综合就是创造”。 在一次盛大的宴会上，中国人、俄国人、法国人、德国人、日本人、意大利人争相夸耀自己民族的文化传统，惟独美国人笑而不语。为了使自己的表述更加生动形象，具有说服力，他们纷纷拿出富有民族特色、能体现本民族悠久历史和文化底蕴的实物酒，来彼此相敬。中国人拿出古色古香、做工精细的茅台酒，打开瓶塞，清香扑鼻，四座皆惊，一片赞叹之声。俄国人打开伏特加，法国人打开香槟，德国人打开威士忌，日本

7、人打开清酒，意大利人打开葡萄酒，都各具特色，香气袭人。轮到美国人时，只见他拿来一只空杯，把各种酒兑在一起随之举杯相敬，笑嘻嘻地说道：“这叫鸡尾酒，它体现了美国人的精神综合就是创造。”例 普通的X光机和计算机，都无法对人脑内病变作出诊断。将二者综合，设计出CT扫描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有了长足的发展。CT扫描仪的创新设计，是20世纪医学领域的一项重大创新成果。 综合创造具有以下基本特征： A.综合能发掘已有事物的潜力，并使已有事物在综合过程中产生出新的价值； B.综合不是各构成要素进行简单的叠加或组合，而是通过创造性综合使综合体的性能

8、发生质的飞跃； C.综合创造比起创造一种全新的事物来在技术上更具可行性和可靠性,是一种实用性的创造思路。例创造性的理论基础创造性的理论基础 米格-25是苏联研制的高空高速截击歼击机。北约集团给予绰号为“狐”(Foxbat)。米格-25最初以美国的B-70超音速洲际轰炸机为主要作战对象，因而在设计上强调高空高速性能。该机曾打破多项飞行速度和飞行高度世界纪录。米格-25可在24000米高度上以M2.8的速度持续飞行，最大飞行速度达M3.0，是目前世界上闯过“热障”(M2.5)的仅有的两种飞机之一(另一种是美国的SR-71)。 米格-25共打破和创造了8项飞行速度世界纪录、9项飞行高度世界记录和6项

9、爬高时间世界记录。1973年初，美国空军部长罗伯特西曼斯曾称米格-25可能是当时“世界上在生产中的最好的截击机”。但米格-25在当时对西方来说还是一个谜。例 米格-25 是近三倍音速的截击机，问世以来苏联十分保密，北约集团军方极为关注。直到 1976 年苏空军中尉别连科驾机叛逃日本北海道南端的函馆民用机场，米格-25 之谜才被揭开。 创造性的理论基础 米格25以其优越的性能而广受世界各国青睐，然而，众多飞机制造专家却惊奇地发现：米格25战斗机所使用的许多零部件与美国战机相比要落后得多，而其整体作战性能达到甚至超过了美国等其他国家同期生产的战斗机。权威分析指出，造成这种现象的原因是，米格公司在设

10、计时从整体考虑，对各零部件进行了更为协调的综合设计，使该机在升降、速度、应激反应等诸方面反超美机而成为当时世界一流。这一因综合协调而产生的意想不到的效果，被后人称之为“米格25效应”。 米格25效应是指，事物的内部结构是否合理，对其整体功能的发挥关系很大。结构合理，会产生“整体大于部分之和”的功效；结构不合理，整体功能就会小于结构各部分功能相加之和，甚至出现负值。 将复杂系统离散为有限或无限单元，以求得总体的近似与最优解答方法。 在自然科学、社会问题、工程技术中，许多问题是用离散方法求解，因此可把它作为求解的一种基本思维力法。 离散法则在创新设计过程中，提倡将事物打破并分解，而综合法则则提倡组

11、合和聚集，因此，离散法则是与综合法则思路相反的另一个创造原理。 基本特征： 离散能冲破原有形态的限制，在离散中产生新的价值； 离散与综合二者往往要相辅相成。离散法则创造性的理论基础创造性的理论基础 组合机床，模块化机床，组合夹具。需先离散再综合。 数学中微积分先化整为零，然后积零为整来求解的； 力学中先把力分为各坐标上的分力，分力求和后，再合成求出总力例例也可分解整体，独立成产品。 衣服可分为：衣体 马甲 衣袖 袖套 衣领 假领还原法则 定义：任何发明和革新都有创造的起点和创造的原点，创造的原点是唯一的，从理论上说创造的起点有无穷多个，但并非任何创造起点都可作为创造的原点。创造性的理论基础 洗

12、衣机的创造起点：洗。 据此，只能得到捶打、挤压、摩擦、冲洗等方案。 洗衣机的创造原点：去污。 除以上机械搅水方式外，还可得到超声波式、真空式、电磁式、臭氧式等原理和方案。例一般来说，创造的起点较具体，思维受到局限；而创造的原点较抽象，思维可以更发散。还原法则 研究已有事物的创造起点，并深入到它的创造原点，再从创造原点另辟门路，用新的思路，新的技术，重新创造该事物或从原点解决问题。 换言之，在创造活动中，对所研究的问题，不是先研究解决问题的方法，而是先针对问题本身提出质疑，追本溯源，分析问题的本质，然后从本质出发，另辟蹊径，寻找新的解决问题的方法。创造性的理论基础 还原法则操作方法：在进行开发性

13、设计时，首先回到原点，即从产品的主要功能出发，再提出实现该功能的原理和方案，最后设计它的结构。创造性的理论基础 还原分析法之所以有可能为创造开辟新路，是因为个人经验的不同与当时条件的局限，而使原有的问题存在未被认识到的方面，随着技术的发展，认识的深化，在回头审查时，便会萌生新的创造契机。 还原法则一般用于开发性设计。原点起点例创造性的理论基础 人们创造了“锚”，目的是用来停泊船只。锚的前身是碇，早期的碇是用绳索缚着石墩构成的，停船时把石墩放到水底，利用石头的重量来固定船只。把绳索连同石墩提起来，就可以开船。遇到风浪太大或水流太急的时候，石墩的重量不够，常常不能系住船只，人们就在石墩上绑上木爪，

14、创造出木爪石碇，木爪可以扎入泥沙之中，这样就加强了石墩的稳定性，固定船舶的力量相应增加了好几倍。以后，人们又发明出铁制的重达千钧的一端有两个或两个以上带倒钩的爪儿，即铁锚。 锚重泊稳，这是极其浅显的道理。因而千百年来船舶的停泊装置都是紧密围绕着如何增加锚的重量，如何改变锚的形状，如何控制锚的抛落和起收进行“顺理成章”的设计和制造。这固然能够解决问题，但由此造就的锚在设计原理上却是“千佛一面”，锚的结构也大同小异。锚的创新设计创造性的理论基础 当人们回到创造原点去创新设计后，锚的设计便开始有了新的突破。设计者从“能够将船舶稳定在海面的方法”的创造原点出发，提出了各种新奇的设想，如能自动高速旋入海

15、底的螺旋锚；能瞬间射入海底，又能即刻反射出来的火箭锚；具有强大吸附力的吸盘锚；还有用局部冷却的方法稳定船舶的冷冻锚。 冷冻锚是一块带冷却装置的铁板，由船上电缆供电，把铁板放到海底，通电1 min，铁板就冻结在海底上。2 的铁板，通电1 min联接海底的力为 N，10 min后达到 N，完全可以把巨轮拽住。起锚作业也很简单，向放热元件供电，只消一两分钟铁板就解冻。例锚的创新设计例移植法则创造性的理论基础面包是由面粉经过发酵加工而成的，松软可口。于是有人把面包发酵的方法移植到塑料加工上，对塑料进行发酵处理，创造发明了泡沫塑料。蛋壳非常薄，但你想用单手捏破它却很困难，原因是蛋壳的外形结构能承受较大的

16、力。建筑师用此原理设计了球形体育馆、拱桥等，既省材料，又美观、实用。虎鲸每小时能游到千米，这是因为它具有流线形的体形。美国海军按照鲸的外形结构改进潜艇的船壳设计，结果制造出来的潜艇在水下的航速比原来一下子提高了，取得了比水面舰船更快的速度。 通过强化手段，提高质量，改善性能，增加寿命。 为提高刀具的耐磨性，可采用电火花工艺强化刀具。 零件表面的喷丸处理。 压缩饼干、浓缩药丸、集成电路等等。 人的强化训练。强化法则换元又称替换或代替。如代用材料，代用零件，代用方法等。机械设计中经常使用该方法。如改进性设计。换元法则创造性的理论基础 组合创新方法是按照一定的技术原理，通过将两个或多个功能元素合并，

17、从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。 由于形成组合的技术要素比较成熟，使得应用组合法从事创新活动的一开始就站在了一个比较高的起点上，不需要花费较多的时间、人力和物力去开发专门的新技术，不要求发明者对所应用的每一种技术要素都具有高深的专门知识，所以应用组合法从事创新活动的难度相对较低。 美国的阿波罗登月宇宙飞船设计制造负责人直言不讳地讲过：阿波罗宇宙飞船的技术，其中没有一项是新的突破，都是现有技术。问题的关键在于能否把它们精确无误地组合好，实行系统管理。组合法则创造性的理论基础 组合创造可慨括为四种类型： 主体附加：在原有的产品上增加新的附件； 异类组合：两种以上不同功能的

18、产品的组合; 同物组合：若干相同事物的组合； 重组：在产品的不同层次上分解原来的组合，然后再以新的意图重新组合起来。例例例例自行车上加灯、篓等物。双缸洗衣机、录放机等。同类多件加工的机夹具、蒸笼等。飞机上的螺旋桨，最早是在尾端安装的，后来改在前端了。创造性的理论基础 在问题求解的过程中，由于某种原因使人们习惯向某一个方向努力，但实际上问题的解却可能位于相反的方向，为达到目的可以将人们通常思考问题的思路反转过来，背离常规解决问题的方法，来寻找解决问题的新途径，新方法。 逆反法则创造性的理论基础逆反法则 圆珠笔发明以后曾风行一时，但不久就暴露出笔油泄露的毛病，虽几经改进，但这个问题始终没有得到解决

19、。漏油的原因很简单，就是由于使用中笔芯中的笔珠磨损造成间隙过大引起泄露，人们试验用各种不同材料以提高其耐磨性，甚至使用宝石等贵重材料制作笔珠，但是容纳笔珠的笔珠槽的磨损仍会引起泄露。 一个日本人运用逆向思维成功地解决了这个问题。他发现圆珠笔不是一开始使用就有漏油的现象，而是通常在书写两万多字以后才由于磨损引起泄露的，他没有像其他人那样设法提高笔珠的使用寿命，而是向相反的方向寻求问题的解，他创造性得提出，如果控制圆珠笔芯中油墨的量，使得所装油墨只能书写大约一万五千字左右，当漏油的问题还没有出现时笔芯就已被丢弃了。 经过试验，效果良好，这个困扰人们多年的问题就这样巧妙地解决了。例创造性的理论基础

20、逆反法则包括三种类型的构思方法： 反转型逆向构思 转换型逆向构思 缺点逆用构思创造性的理论基础 反转型逆向构思：这种方法是指从已有事物的相反方向通过逆向思维，来引导发明构思的思路。 此法有三种途径： 功能性反转：即是从相反的方向或相反途径对事物功能及其运用进行思考的方法。创造性的理论基础 日本索尼公司董事长盛田昭夫非常精于用反思逆行思维去思考问题，他往往能抓住身边的每 一次机会，都能产生较好的思维成果。一次，盛田昭夫去理发店理发，当他通过座位对面的镜子看电视时，觉得因为镜子的反射作用，出现在镜面上的电视画面与电视中播放的画面是反的，看起来很不习惯。在别的人看来，实属正常，不会见怪。然而，这却诱

21、发了盛田昭夫的反思逆行思维。他想：如果能生产一种显像 反映非正面的电视机，这种在镜子反射作用下，人们对着镜子看电视，不就成正的了吗?看镜子里的电视画面不会产生不习惯。回公司后 ，他立即召集技术开发人员，把这个想法告诉他们，让他们去研究。没有多久，一种新的显映反画面的电视机上市了。这种电视机不仅可供理发店的顾客观看电视，而且还有其他种种用途。如乒乓球训练中，一 个习惯于右手握拍的运动员，要分析研究长于左手握拍的运动员的球艺，或者一个习惯左手 握拍的运动员，要借鉴右手握拍运动员的技术，就可以用这种电视机放录像认真地加以比较 研究了。例 结构性反转：从已有事物的相反结构形式去设想新的解决问题的思路。

22、 夏普公司生产的一种煎鱼锅，在使用中发现，在鱼被加热的过程中，由于鱼体内的油滴到下面，产生了大量的烟雾。公司改用多种加热装置仍不能解决冒烟的问题。他们重新检查原有的设计思路，提出一个根本性的技术问题：为什么一定要把热源放到鱼的下方呢？ 如果改变热源与鱼的相对位置关系，使下滴的鱼油不接触热源，也就不会产生烟雾。根据新的设计思路，他们将热源放到煎鱼锅的盖子上，采用上加热方式设计出一种新型的无烟煎鱼锅。例 有一位高尔夫球爱好者因为家中没有可供练习用的草坪，他只好买来长毛地毯代替草坪进行练习。但是地毯的尺寸太小，仍不能满足练习要求。他想，无论使用草坪还是使用长毛地毯，都是希望用来对球实施缓冲和增大摩擦力，如果将这种功能实施过程反过来，使长毛长在球上，而不是长在地上，是否可以起到同样的作用呢？ 根据这种思路，他发明了训练用长毛高尔夫球，经使用证明在普通地面上使用可获得与草坪上相似的效果，受到了市场的欢迎。例创造性的理论基础 因果关系反转：将事物的因果关系颠倒一下，会产生什么结果呢? 这即是因果关系反转这一方法的思维方式。 发电机与电动机，两者的结构原理是等价的，只不过互换了因果关系。电动机出现后，法拉第认为电现象与磁现象之间的关系是辨证关系，既然电能产生磁，那么磁也能产生电。他即开始