《机械原理与机械设计 （下册） 第4版》 课件 第30章 创新设计的基本原理与常用技法

第三十章创新设计的基本原理与常用技法第一节概述第二节创造力与创造性思维第三节创新原理第四节常用创新方法第一节概述一、创新设计产生的历史背景及其含义概念1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断努力和探索后被人们认知的具体结果。3、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实用性的理论或产品的过程。2、创造：是指人们提出或完成原本不存在的、经过人们不断努力和探索后提出的或完成的具体结果。4、创新与创造关系：没有本质差别，创新是创造的具体实现。但创新更强调创造成果的新颖性、独特性和实用性。5、创新分类：一般把创新分为知识创新、技术创新和应用创新。

6、创新方式：其一是由无到有的创新，其二是由有到新的创新创新设计的概念1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。创造性思维与创造能力的培养创造思维思维活动是创新设计的主体，创造思维思维活动过程如下。1、创造思维思维与潜创造能力2、创新的涌动力存在于人类自身的潜创造能力，只有在一定压力和一定条件下才会释放出能量。创新的过程一般可归纳如下。知识（潜创造力）+创新涌动力+灵感思维

创新成果二.机械创新设计的特点(1)独创性——设计者应追求与前人、众人不同的方案，打破一般思维的常规惯例，提出新功能、新原理、新机构、新材料，在求异和突破中体现创新。(2)实用性——纸上谈兵无法体现真正的创新。发明创造成果只是一种潜在的财富，只有将它们转化为现实生产力或市场商品，才能真正为经济发展和社会进步服务。设计的实用化主要表现为市场的适应性和可生产性两方面。(3)多方案选优——机械创新设计涉及多种学科，应尽可能从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的途径，在多方案比较中求新、求异、选优。以发散性思维探求多种方案，再通过收敛评价取得最佳方案，这是创新设计方案的特点。三、创新设计方法的分类1、群智集中法：群智集中法又称头脑风暴法2、仿生创新法3、功能设计创新法4、移置技术创新设计法5、类比求优创新设计法6、反求创新法、思维的间接性和概括性

思维的间接性指的是凭借其它信息的触发，借助于已有的知识和信息，去认识那些没有直接感知过的或根本不能感知的事物，以及预见和推知事物的发展过程。

思维的概括性指的是它能够去除不同类型事物的具体差异，而抽取其共同的本质或特征加以反映。第二节创造力与创造性思维二、思维的多层性思维有高级和低级，简单和复杂之分，也就是说，思维具有层次性。三、思维的自觉性与创造性思维的自觉性也称为灵感思维。其最大的特征是爆发性与瞬间性，只有善于扑捉这一短暂的灵感思维，才会发生量变到质变的创造成果。思维的类型一、形象思维形象思维又称为具体思维或具体形象的思维。它是人脑对客观事物或现象的外部特点和具体形象的反映活动二、抽象思维抽象思维又称为逻辑思维。它是凭借概念、判断、推理而进行的反映客观现实的思维活动。三、发散思维发散思维又称辐射思维、扩散思维、开放思维等。它是以少求多的思维形式，其特点是从给定的信息输入中产生出众多的信息输出。四、收敛思维收敛思维又称集中思维、求同思维等。是一种寻求某种正确答案的思维形式。它以某种研究对象为中心，将众多的思路和信息汇集于这一中心的思维过程。五、动态思维动态思维是一种运动的、不断调整的、不断优化的思维活动。其特点是根据不断变化的环境、条件来不断改变自己的思维秩序、思维方向，对事物进行调整、控制，从而达到优化的思维目标。六、有序思维有序思维是一种按一定规则和秩序进行的有目的的思维方式，它是许多创造方法的基础七、直接思维基于有限的信息，调动已有的知识积累，摆脱惯常的思维规律，对新事物、新现象、新问题进行的一种直接、迅速、敏锐的洞察和跳跃式的判断。八、创造性思维创造性思维是一种最高层次的思维活动其特点是：综合性、跳跃性、新颖性、潜意识中的自觉性和顿悟性九、质疑思维用怀疑和批判的眼光看待一切事物，既敢于否定。提出疑问，是许多新事物新观念产生的开端，质疑是人类思维的精髓，也是创新思维的最基本方式之一。十、互动思维互动思维又称为头脑风暴法，是与集体思维互动的思维方式。十一、灵感思维

灵感思维是一种特殊的思维现象，是一个人长时间思考某个问题得不到答案，中断了对它的思考以后，却又会在某个场合突然产生对这个问题的解答的顿悟。创造性思维的形成与发展一、创造性思维的形成过程创造性思维的形成大致可分为三个阶段：1、酝酿准备阶段：2、潜心加工阶段3、顿悟阶段

二、创造性思维的培养与发展1、潜创造思维的培养潜创造思维的基础是知识，人的知识来源与教育和社会实践。由于受教育的程度和社会实践经验的不同，人的文化知识、实践经验知识存在很大差异，即人的知识深度、广度不同，但人人都有知识，只是知识结构不同。也就说，人人都有潜创造力。2、创新涌动力的培养来源于社会因素或自我因素的影响，潜创造力转换为涌动力。

社会因素包括工作环境中的外部或内部压力自我因素主要是强烈的事业心所以，塑造良好的工作环境和培养强烈的事业心是出现创新涌动力的最好保证。潜创造力+创新涌动力+灵感=创新成果思维方式与创新方法一、群体集智法二、系统分析法三、联想法四、类比法五、仿生法六、组合创新法七、反求设计法八、功能设计法第三节创新原理一、综合创新原理

综合是将研究对象的各个部分、各个方面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握十五的本质和规律的一种方法。二、分离创新设计

分离创新是把复杂的整体离散为简单的局部，把大的问题分解为小问题，或将有点与缺点分离开进行思考的一种思维方法。通过分离可使主要矛盾暴露出来，以便寻求心的解决方案。三、移植创新

吸取、借用某一领域的概念、原理和方法应用或渗透到另一领域，从而取得新成果的方法就是移植创新。1）原理移植2）结构移植3）材料移植4）技术移植5）综合移植技术引进与反求工程

技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速增长的战略措施。反求工程就是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，它以先进产品设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。四、逆向创新原理引进技术的应用与开发一般要经历以下过程：⑴应用过程——学会对引进的产品或生产设备等硬件技术的操作、使用、维修，令其在生产中发挥作用，并创造经济效益。⑵消化过程——对引进产品或生产设备的设计原理、结构、材料、工艺、管理方法等进行深入的分析研究，用现代科学的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行技术测定，了解其材料配方、工艺流程、技术标准、质量控制和安全保护等技术条件，特别要掌握其关键技术，做到“知其所以然”。⑶创新过程——对引进技术消化综合，博采众家之长，进行创新设计，开发出具有本国特色的新产品，并争取进一步实现技术引进到技术输出的转化，获取更大的经济效益。五、还原创新原理所谓还原创新，是将所研究的问题，退回到其本质的原点，然后从该原点出发另辟蹊径，来寻求解决问题的新思路、新方案的一种思维方法。六、价值优化原理

所谓价值优化，是指在创新设计过程中运用价值工程的理念，探索、研究产品功能与其成本之间的内在联系，设计出具有高价值的产品，一提高其技术经济效果。一、设问创新法

设问创新法是根据需要解决的问题或者需要创造发明的对象，以提问表格的形式，根据提问要点，逐个审核、讨论，使创造发明者全面、系统地考虑各种解决问题的方法，其列出9个方面有关的问题，然后逐一审核讨论，是促进创新活动深入进行的一种创造技法。特点是用制式提问表，以防止思考疏漏，适合任何创造发明或创新活动，有“创造技法之母”的美誉。

设问创新法提问要点的内容有9个方面，针对某一产品或事物介绍如下。

(1)能否它用？可提问：现有事物有无其他用途？稍加改进能否扩大用途？

例如尼龙最初只用于军事领域，主要用来制造降落伞、舰用缆绳等，因而销量很少，为此，人们开始寻找它的新用途。最终人们发现了它的许多新用途，如做袜子、雨衣、雨伞，在工业生产中用来制作齿轮、轴承、各种形状和强度要求较高的零件等。

第四节长用那个创新技法

(2)能否借用？可提问：能否借用别的经验？模仿别的东西？

踩在香蕉皮上比其他水果皮上更容易使人摔跤，原因在于香蕉皮由几百个薄层构成，且层间结构松弛，富含水分，借用这个原理，人们发明了具有层状结构性能优良的润滑材料——二硫化钼。同样的道理，乌贼靠喷水前进，前进迅速而灵活，模仿这一原理，人们发明了“喷水船”，这种喷水船先将水吸入，再将水从船尾猛烈喷出，靠水的反作用力使船体迅速行驶。

(3)能否改变？可提问：能否在意义、声音、味道、形状、式样、花色、品种等方面改变？

为了提高产品的生产效率，一般加工螺钉都用车削或用丝扳加工，使得生产效率较低。当采用滚压方法对螺纹进行控丝加工的方式时，其效率得到了极大的提高，这种加工螺钉的方法，现在已经被标准件工厂广泛的采用，其工作原理图如图所示。

(4)能否扩大？可提问：能否扩大使用范围、增加功能、添加零部件、增加高度、强度、价值、延长使用寿命？扩大的目的是为了增加数量，形成规模效应，缩小是为了减少体积，便于使用，提高速度。大小是相对的，不是绝对的，更大、更小都是发展的必然趋势。

(5)能否缩小？可提问：能否减少、缩小、减轻、浓缩、微型、分割？

随着社会的进步和生活水平的不断提高，产品在降低成本、不减少功能、便于携带和便于操作的要求下，必然会出现由大变小、由重变轻、由繁变简的趋势。如袖珍收录机、折叠伞、笔记本计算机、可视手机、甲壳虫式小轿车、超薄计算机显示屏、低底盘的火车或汽车，计算机或电话上的功能键、重拨键将多种功能集中于一键，不仅简化了产品的结构，而且方便了操作者使用。以缩小、简化为目标的创造发明往往具有独特的优势，在自我发问的创新技巧中，可产生出大量的创新构想。

在两块玻璃中加入某些材料可制成防震或防弹玻璃；在铝材中加入塑料做成防腐防锈、强度很高的水管管材和门窗中使用的型材；在润滑剂中添加某些材料可大大提高润滑剂的润滑效果，提高机车的使用寿命。

(6)能否代用？可提问：能否用其他材料、元件、原理、方法、结构、动力、结构、工艺、设备？人造大理石、人造丝是取而代之的很好范例。用表面活性剂代替汽油清洗油污，不仅效果好，而且节约能源。用液压传动代替机械传动，更适合远距离操纵控制。用水或空气代替润滑油做成的水压轴承或空气轴承，无污染，效率高。用天燃气或酒精代替汽油燃料，可使汽车的尾气污染大大降低。数字相机用数据存储图像，省去了胶卷及胶卷的冲印过程，而且图像更清晰，在各种光线条件下可以拍摄很好的相片。

(7)能否调整？可提问：能否调整布局、程序、日程、计划、规格、因果关系？

飞机的螺旋桨一般在头部，有的也放在尾部，如果放在顶部就成了直升机，如果螺旋桨的轴线方向可调，就成了可垂直升降的飞机。汽车的喇叭按钮原来设计在方向盘的中心，不便于操作且有一定的危险性，将按钮设计在方向盘圆盘下面的半个圆周上就可以很好地解决潜在的威胁问题。根据常识可知自行车在高速前进时，采用前轮制动容易发生事故，于是有人就设计了无论用左手或右手捏住制动器，自行车都将按“先后再前”的顺序制动，从而可以大大降低事故的发生率。

(8)能否颠倒？可提问：能否方向相反、变肯定为否定、变否定为肯定、位置颠倒、作用颠倒？将电动机反过来用就发明了发电机；将电扇反装就成了排风扇；从石油中提炼原油需要把油、水分离，但为了从地下获得更多的原油，可以先向地下的油中注水；单向透光玻璃装在审讯室里，公安人员可看见犯罪嫌疑人的一举一动，而犯罪嫌疑人却无法看见公安人员。反之，将这种玻璃反过来装在公共场所，人们既可以从里观赏外面的美景，又能防止强烈的太阳光直接射入。

(9)能否组合？可提问：能否事物组合、原理组合、方案组合、材料组合、形状组合、功能组合？两个电极在水中高压放电时会产生“电力液压效应”，产生的巨大冲击力可将宝石击碎；而在一个椭球面焦点上发出的声波，经反射后可在另一个焦点汇集。一位德国科学家将这两种科学现象组合起来，设计出医用肾结石治疗仪。他让患者躺在水槽中，使患者的结石位于椭球面的一个焦点上，把一个电极置于椭球面的另一个焦点上，经过1min左右不断地放电，通过人体的冲击波能把大部分结石粉碎，而后逐渐排出体外，达到治疗的目的。大学本科机械类学习的机械原理课程中，组合机构就是将几种机构有目的的组合起来，完成基本机构难以完成的设计任务要求。

二、列举创新法定义：人为地按某种规则列举出创造对象的要素分别加以分析研究，以探求创造的落点和方案，这类技法叫做列举型创造技法。内涵：列举法是一种借助于某一具体事物的特定对象（如特性、缺点等），从逻辑上进行分析并将其本质内容罗列出来，经过批评、比较、选优等手段，挖掘创造主题新意的创造技法。分类：缺点列举法、希望点列举法、特性点列举法、信息列举法等。（一）缺点列举法技法原理举例说明

运用要点缺点列举法就是有意识地列举现有事物的缺点，分析原因并进行改进，从而创造出新事物的创造技法。希望点与缺点列举法的重要差异:主动与被动

当今世界上一切都不是完美的，都可以通过创造使它更完美。人类社会的发展、技术的进步突出体现了上述基本思想。仔细观察任何产品，一定能发现它总是或多或少地存在着一些缺点和不足之处，如不顺手、不方便、不省力、不节能、不美观、不耐用、不轻巧、不省料、不安全、不省时、不便宜、寿命短等等，只要不断地对现有事物的缺点、不足之处加以改进，推陈出新，吐故纳新，就能创造出许许多多新的产品来。（二）希望点列举法技法原理举例说明

运用要点技法原理希望，就是人们心理期待达到的某种目的或出现的某种情况，是人类需求心理的反映和对美好愿望的追求，希望是创造发明的强大动力。

希望点列举法是一种积极主动的创造发明技法。“九阳豆浆机”古今中外，世界上的许多东西都是根据人们的希望和需求创造出来的：人们希望像鸟一样飞上天，于是就发明了气球、飞机；人们希望冬暖夏凉，就发明了空调设备；人们希望成为“顺风耳”、“千里眼”，就发明了收音机和电视机；人们希望夜如白昼，就发明电灯；人们希望快速计算，就发明了电子计算机等。

人们希望夜间上下楼梯时，路灯能自动亮、自动灭，于是就发明了光声控开关；人们希望打电话时能看到对方的形象，就发明了可视电话；人们希望洗手后不用毛巾擦也能干手，于是发明了电热干洗机；人们希望擦楼上玻璃窗不会发生危险，于是发明了磁性双面擦窗器等等。

列举希望的方法（1）观察联想法（2）召开希望点列举会（3）向用户和商店征求意见（4）对社会各阶层进行抽样调查三、形态分析创新法形态分析法是一种系统化构思和程式化解题的发明创造方法，它是由美国加利福尼亚大学工学院教授F·兹维基和美籍瑞士矿物学家P·里哥尼联合提出的。形态分析法是一种系统搜索方法，用来探求一切可能存在的组合方案，属于“穷尽法”。形态分析法的核心是将机械系统分解成若干组成部分，然后用网络图解的方式或形态学矩阵的方式进行排列组合，以产生解决问题的系统方案或创新设想。如果机械系统被分成的部分数量较多，而且每个部分又有很多解法，那么它的组合方案数量将十分巨大，会产生}“方案爆炸”现象。一般应用方案评价方法来选定若干方案加以决策。在形态分析法中，因素和形态是两个非常重要的基本概念。因素是构成机械系统中或技术系统中各种子功能的特性因子；形态是实现系统各功能的技术手段。例如，对于机械产品而言，它的各分功能（行为）为基本因素，而实现该产品各分功能的形态分析法技术手段为基本形态。对于任一产品的每一基本因素，均可用多种技术手段来实现，它们被视为对应的基本状态。1

形态分析法的基本原理形态分析法是将研究对象视为一个系统，通过系统分析方法将其分解为相对独立的子系统，各子系统所实现的功能称为基本因素，实现各子系统功能的技术手段称为基本形态，通过排列与组合方法可以得到多种可行解，经过筛选可从中确定系统的最佳方案。形态分析法的基本原理若系统分解后的基本因素为A、B、C、D、…，而对应的基本形态分别为A1、A2、A3、…，B1、B2、B3、…，C1、C2、C3、…，D1、D2、D3、…，则可写成表30-1所示矩阵。因此，从每个基本因素中选出一个基本形态就可以组合成为不同的系统方案。表30-1

系统的形态学矩阵基本因素基本形态AA1A2A3A4A5BB1B2B3CC1C2C3DD1D2D3D4形态分析法的基本原理形态分析法具有如下特点：（1）所得方案只要能将全部因素及各因素的所有可能形态都排列出来，则是无所不包的；（2）具有程式化性质，主要依靠人们认真、细致、严密的工作，而不是依靠人们的直觉、美感或想象，易于操作；（3）其创新点在于如何进行系统的分解，使之不同于已有的，还在于对基本形态的创新构思。

由于形态分析法采用系统化方式构思和程序化方式解题，因而只要运用得当，就可以产生大量的设想，能够使发明创造过程中的各种构思方案比较直观地显示出来。例1火箭研制工作中，其各主要组成要素及其可能具有的形态，可用表3-3表示为形态学矩阵。从火箭研制的形态学矩阵可以看出，其可能的方案数为4x4x3x3x2x2=576种，包括了几乎所有可能的方案。表30-2

火箭研制的形态学矩阵火箭的组成要素各组成要素可能具有的形态发动机工作的媒介物真空大气水油推进燃料的工作方式静止移动振动回转燃料的物理状态气体液体固体推进动力装置的类型内藏外置免设点火的类型自点火外点火做功的连续性断续连续例2挖掘机的方案设计（1）挖掘机的因素分析：挖掘机具备的因素有动力、移动动力传动、移动、挖掘动力传递、挖掘五个因素；（2）形态分析见表30-3.表30-3

挖掘机形态分析功能因素形态（技术措施）动力电动机汽油机柴油机蒸汽透平液压机气马达移动动力传动齿轮传动螺杆传动带传动链传动液力耦合器移动轨道及车轮轮胎腰带气动挖掘动力传动拉杆绳传动气缸传动液压传动挖掘挖斗抓斗钳式斗（3）可以看到，根据排列组合知识，以上技术措施可组合出6x5x4x4x3=1440种方案。以上通过对各个功能因素的可实现技术措施进行评价，发现“电动机+液力耦合器+履带+液压缸传动+抓斗”和“气马达+液力耦合器+轮胎+液压缸传动+抓斗”两方案最为可行，目前，以上两种方案是挖掘机最常采用的方案。例3在研究新型单缸洗衣机的设计方案时可以作出如下分析：洗衣机必须具有盛装衣物、分离污物、控制洗涤三个功能因素。三个功能因素中“分离污物”是最关键的功能因素，在考虑如何将污物从衣服上“分离”时，应从各个技术领域去深入思考，采用可能应用的一切技术措施，包括现有的和先进的，甚至暂时没有但有可能通过努力而实现的。根据上述分析可得表30-5所示洗衣机方案设计形态学矩阵。根据上表进行组合，可得4x4x3=48种方案，其中：A1+B1+C1是最原始的洗衣机：A1+B1+C1是目前市场销售的普通型单缸洗衣机：A2+B2+C1是一种简单的热胀增压式洗衣机，其工作原理是用热水加洗涤剂，用手摇的方式使洗涤桶旋转增压，达到分离衣物上污物的目的；A1+B2+C2是一种新型的，用电磁震荡除去衣物上污物的洗衣机；A1+B1+C2是一种应用超声波除去衣物上的污物的洗衣机。表30-4

洗衣机方案设计的形态学矩阵功能因素功能解（形态）盛装衣物铝桶塑料桶玻璃钢桶陶瓷桶分离污物机械摩擦电磁振荡热胀超声波控制洗涤人工控制机械定时电脑控制2

形态分析法的基本步骤形态分析法的基本要求：一是寻求所有可能的解决方案；二是尽可能具有创新性。形态分析法的基本步骤如下：（1）明确研究对象。对于研究对象的性能要求、使用可靠性、成本、寿命、外观、尺寸、产量等必须逐步加以明确。这是寻找方案的出发点。（2）组成因素分析。确定研究对象的各种主要因素（如各个部件、成分、过程、状态等），要求列出研究对象的全部组成因素和划分，且各因素和划分在逻辑上应该是彼此独立的。组成因素的分析过程也包括着创新思维的过程，不同的人对组成因素及划分的理解可以是不同的。形态分析法的基本步骤（3）形态分析。依据研究对象和各因素提出的功能及性能要求，详细地列出能满足要求的各种方法和手段（统称为形态），并绘制出相应的形态学矩阵。确定可能存在的、新颖的形态，其中就蕴含着创新。（4）形态组合。按形态学矩阵进行形态的排列组合，获得全部的组合方案。（5）评选出综合性能最优的组合方案。按照研究对象的评价指标体系，采用合适的评价方法，评选出综合性能最优的组合方案。需指出，任何组合方案都不可能面面俱到地最优，而只能是综合性能的最优。四、仿生创新法研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。1、机械仿生：研究动物体的运动机理，模仿动物的地面走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制模仿各种生物的运动装置。仿生学的研究内容主要有：2、力学仿生：研究并模仿生物体总体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。