机械设计基本原理.ppt

参考书目 1）机械分析与机械设计 （美） A.H.伯尔 2）材料与设计 杨杰章 编译 3）机械概率设计 （美） E.B.豪根 4）德国技术准则设计技术之四 5）工程设计学 （徳） 帕尔 毛谦徳译,第一章 序言,11设计理论的概念,在自然科学和技术科学之间可以划出一条明显的界线。自然科学研究领域主要是寻求揭示自然规律和相应的研究分析方法，从而在不同的自然科学领域形成了与该领域相对应的理论和方法（如：数学、化学、物理、天文学、力学）。技术科学是应用科学，在已揭示的自然科学规律和相应理论基础上，解决人类自身生存和发展所面对的各种要求和需求的一门科学。它也有相应的理论和方法作为支撑,有固有的内在规律需要揭示。技术科学的发展受到自然科学发展的推动和影响(当然也受到社会科学的影响)。 技术科学的核心往往是设计。而此处所讲的设计是广义的，不仅涉及商品的设计,而且包括实验分析仪器,装置（民用，军事）,大型工程项目,征服自然和宇宙的工具、手段和方法，所以设计是一门科学，同样有其内在的规律和所需遵循的原则。我们将设计科学中相关的内容(知识)上升到理论高度,使其更清晰和条理化，所以引出设计理论和设计原理的概念。研究设计的内在规律和相应的方法就构成设计理论。设计理论和其他学科的理论一样要服务于设计实践,并在设计实践中得到完善和提高。,1-2 机械设计理论,一 定义 机械设计理论是研究机械设计的内涵及其内在规律的一门学科(它将人们对机械设计的感性认识上升到理性认识)。 机械设计将涉及四方面的知识: 1)经典科学(例:数学、物理学等)； 2)技术科学（机械学、材料学、制造学）； 3)实用工程理论（工程力学，材料力学）； 4)社会学和美学； （机械设计理论涉及范围广，我们可以从不同的角度去归纳和总结）,二 机械设计理论的分类 1）从工程角度可分为： 工程分析理论确定变量的种类和数量、材料性能、物理参数和数学常数。建立工程各主要过程的静、动状态数学模型。如：运动过程（静止、启动、加速、制动）、振动规律、能量传递过程、物料流程 工程设计理论在设计人员的直接参与下，确定工程系统的主要设计参数的种类，在初步预测初始条件，边界条件和载荷条件的情况下，预测系统性能，优化设计参数，即根据一般的性能预测系统的特殊性能（如：强度分析和动态分析）,2）从设计角度可分为： 参数优化理论 结构形状优化理论（有限元法、能量法） 最优设计方法（三次设计法、系统分析法、动态设计法、创新设计法） 科学设计过程（研究设计的规律和所遵循的思维过程） 评价和决策理论（主要用于方案设计和成果鉴定） 3）从强度设计角度可分为： 等强度设计理论（临界强度设计理论） 疲劳强度设计理论（包括机械疲劳和热疲劳）,4)从失效分析角度可分为： a)力和温度引起的弹性变形失效（弹性变形量达到干 扰机器实现其功能的情况。） b)屈服失效（塑性变形达到干扰机器完满实现功能的 情况。） c)曲面变形失效（两接触曲面间静态力产生局部屈 服，使表面一定范围内产生不连续的现象。如轴承 滚道点蚀；汽车吊工作时液压支撑。） d)塑性断裂失效（塑性变形达到断裂程度） e)脆性断裂失效（弹性变形达到原子键破裂程度） f)疲劳失效。包括：,高周疲劳 ； 低周疲劳 ； 热疲劳交变温度场引起的失效 表面疲劳滚动接触表面因开裂、点蚀、脱落引 起失效。 冲击疲劳反复冲击载荷引起的疲劳裂纹的产生 和扩展 腐蚀疲劳腐蚀和疲劳交互作用 微振疲劳高频微振动引起所交变载荷和交变应作用引起裂纹产生和发展 g)腐蚀失效，包括： 直接化学腐蚀 电化学腐蚀,晶间腐蚀 选取腐蚀固态合金中某一元素被过滤掉引起腐蚀 空泡腐蚀气蚀 氢腐蚀氢气泡、氢脆、氢侵袭 生物腐蚀 应力腐蚀 h)磨损失效接触表面质点逐渐被磨掉，尺寸变化而 发生失效。可分为： 粘附磨损局部高压使粗糙接触点产生冷焊现象。随 运动而引起的塑性变形，粗糙接触点破 裂，导致局部金属磨掉（脱落） 磨粒磨损,表面疲劳磨损 变形磨损 冲击磨损 微振磨损（港务局端环经向表面与曲轨间的磨损） i)冲击失效动载或冲击载荷引起应力和变形，使构件功能失效。可分为： 冲击断裂 冲击变形 冲击磨损 冲击疲劳 j)蠕变失效（曲轨伸长、螺栓防松） k)高温蠕变断裂 l)应力松弛,m)热冲击 n)胶合失效 o)辐射损伤部件受辐射而改变了材料的性能，使其功能失效 5)从设计寿命角度 a)无限设计寿命理论（雷达） b)有限设计寿命理论（飞机） c)等寿命设计理论（日本汽车） d)临界设计寿命设计理论（安全保护作用） 6)从安全性、可靠性角度 a)安全系数法 b)可靠性设计理论 7)人机关系协调理论,13 机械设计理论研究状况 和发展趋势,目前机械设计处于半经验半理论设计阶段，不完全成熟，还需要进一步研究设计的内在规律和特征。 设计的发展趋势是： 设计由静态走向动态；由单参数走向多参数； 由安全走向可靠； 方案设计由单解走向多解， 最终设计将走向自动化和智能化，所以设计理论将趋于完善。 总之，设计理论的发展受到相关学科理论的发展影响；受到设计手段和设计方法的影响。所以机械设计理论是多学科理论的综合体在设计领域内的应用。,第二章 设计准则及设计原理,21设计准则,一 机械设计目标 设计目标建立能满足功能要求、经济合理和具有规定可靠性指标的技术系统。 (满足上述设计目标，需要做哪些工作呢？) 1)必须提出一种初步设计概念(功能原理设计，如潜望 镜)以适应预期的功能要求，并满足经济要求和使用要 求。,2)必须定量估算构件上所受载荷的种类、大小和相对变 动范围（ 、 、 、 ）（从宏观上看） 3)对机械进行系统分析（传动、动力、执行、工作头、 控制、辅助系统）和载荷定量估算（重力、径向 力、轴向力、扭、弯、剪、冲、惯性力） 4)根据机械性能、物理性能、设计性能要求，以及经济性、可靠性等方面限制和约束条件，选择各零部件的材料和热处理方法。 5)必须使用统计的方法描述载荷特性和材料的主要强度 特性。 6)必须定量估算各零部件的强度、刚度、失效特征及可 靠性指标。 7)必须描述系统的总体强度、破坏特征及可靠性指标。,8)在上述估算和描述的基础上，对零部件从使用要求和 经济性两方面进行优化设计。（参数优化，几何形状 优化）,1 从科学分析和创造性设计角度，设计人员应遵循以下 设计准则： 1)创造性地利用所需要的物理性能，同时控制不需要 的物理性能在规定的范围内。,二 设计准则（从以下三方面研究设计准则）,(为设计一台符合使用要求的、满足特定功能的机器，应综合考虑许多自然规律及构成机器的各零部件的材料性能。如：挠性、重力、强度、刚度、惯性力、浮力、离心力、斜面原理、杠杆原理、摩擦、粘度、热膨胀等，以及电学、光学、化学现象。 机械物理性能一般都具有两重性：一种性能在某一场合是可利用的有益的，而在另一场合下则可能是有害的。如：摩擦在摩擦离合器上需要增大摩擦力，而该离合器的支撑轴承上则需要摩擦力越小越好；(热膨胀)轴与轴承内环采用热装，冷却时可以得到预紧力，而轴承的内、外环和滚动体间不应温差变化而抱死。设计时应创造性地利用和控制所需的物理性能，而同时将不需要的物理性能减小到最低限度。),2)判别功能载荷及其意义 对任何一个零部件都应分析它的功能载荷是什么？附加载荷是什么？(如：斜齿轮)要充分考虑它们的影响。 例如：安装有高速涡轮的轴上要承受扭拒和交变工作载荷或疲劳载荷，但由于环境、设计及选材问题，可能有其它附加载荷。如：冲击载荷、活动载荷、不共面载荷产生的惯性力矩和静不定载荷。设计中应确定在一个工作循环中，多种载荷的最不利的组合，从而设计和选择关键零件，如轴和轴承。 3)充分估计和预测意外载荷 (例：螺栓安装时的偏心载荷；不同心的两轴用刚性联轴器连接时产生的附加力；振动载荷；两相配合零件热膨胀不协调产生的约束力以及安装和运输当中产生的附加力),4)创造性地利用载荷条件，即利用或消除不利载荷影响。 (例：曲轴平衡问题，盘式摩擦制动器的摩擦片为偶数；同一轴上相邻斜齿轮，螺旋角的调整可使轴向力为零；行星传动均载机构；厚油膜均载；轴承部件中一侧轴承可轴向移动，可减少装配误差和热膨胀产生的轴向力) 5)合理设计零部件各位置的应力分布和刚度，最大限度减少 设置重量。(应用应变能分布密度，进行几何形状优化) (承受交变或脉动载荷的零件，要注意引起应力集中的 部位的设计。 如圆角、螺纹、小孔及配合面。如取煤机主轴的设计采用无键联接； 必要时关键部位采用局部表面强化处理； 承受单向载荷的构件如压力容器、弹簧、旋转圆盘、,吊钩等，可在工作载荷方向施加预应力（预紧应力和残 余应力），可以降低工作时的应力幅值； 轴承支撑处要有足够的刚度，以减少变形引起啮合和铰接误差， 例：钢绞线减速器；尽量采用空心箱体结构，可提高刚度） 6)应用基本公式求相应的结构尺寸和有关参数时，要注意公 式的准确性和误差范围。 经常要改写公式的表达形式使之更直观和便于计算； 对具体问题作简化处理，以便应用上述公式或者对公式的 应用条件作基本假设，这可能带来误差。例如1： 齿轮轮齿的弯曲强度计算公式可用悬臂梁的公式分析，带来一定的误差，必须引入修正系数。 7)根据性能组合选择材料(即综合考虑材料性能) (所谓性能组合是指：选择材料时，不仅要考虑强度、硬度,和重量，还要考虑抗冲击性、抗疲劳性、电化学特性、 抗腐蚀性和抗高低温性能以及制造性能，如：加工性能、 冷变形性、可焊接性、对热处理温度的敏感性及光洁度 等) 8)改进功能原理设计，以适应制造工艺和降低成本。 如：齿轮成型工艺。 9）保证零件在装配中能准确定位、不发生干涉。 2 从学科种类，机械设计准则可有以下9种： 1)符合力学要求的结构设计准则 2)符合工艺要求的结构设计准则 3)符合材料要求的结构设计准则 4)符合装配要求的结构设计准则,5)符合防腐要求的结构设计准则 6)符合公差要求的结构设计准则 7)符合支撑要求的结构设计准则 8)符合安全要求的结构设计准则 9)符合美学要求的结构设计准则 3 从结构方案设计角度设计原则可分为三类： 1）明确： 产品功能明确，工作原理明确，使用工况和应力状态明确，技术文件表达明确。 2）简单：功能和结构的一一对应关系清晰 3）安全，可靠：设计安全技术、使用安全技术和预防安全技术。,22 几种典型的设计原理简介,1 等强度原理 通过几何形状设计和选择材料，力求构件中主 要承载区应力状态相同或应力幅值相近(可充分发挥材料 强度潜力) 2 合理力流原理(力流广义的力传递的路线) 1)力线在构件中不会中断和消失 2)在结构设计中，力求避免力线密度增加和力线突然转向 (力线转向与其密度改变是相关的) 3)按改善构件上力线密集强度来设计构件结构。如：轴肩 圆角。,3 短程力传动原理 力线传递的路线是使构件变形量趋于最 小的路线（弹性范围内），所以弹性范围内，力和变形之间的关系是线性的，该系统为保守系。所以选择不同的传力路线，可以改变刚度。拉压弯曲扭转。 4变形协调原理 结构设计时,应力求相互作用的构件相对变形量减小,或变形方向一致 (以三翻车机端环结构与梁，曲轨与托轮间接触状态为例) 5 力平衡原理 构件(机构)工作时,要输入主参量(F、M、T、S、v、a)，同时有相关的伴生副参量(F、M、T、S、 v、a) 产生。(伴生的副参量一般对总功能或主要功能的实现是有害的)。设计上要设法平衡掉副参量的影响，或者将副参量的影响转化为对总功能有益的参量。,6 任务分配原理 a)功能和功能载体的关系：一种功能对应一个功能载体(结构简单，便于优化)，多种功能对应一个功能载体(结构复杂，精度要求高)例如：箱体类构件 b)功能不同的任务分配： (相互抵触（矛盾）的功能，分别由不同构件来实现),c)功能相同的任务分配(分流汇流传动) 例：行星传动、多点啮合柔性传动 7自助原理（自加强，自平衡，自保护） 结构功能的总效应由两部分组成（叠加）： 1)主参量引起的原始作用效应 2)伴生副参量引起的辅助作用效应 结构设计上，保证辅助作用效应起积极（有益）的作用。,F0 初装预紧力； U 原始效应； H 辅助效应(由内压力产生)； G 合成效应（体现在内压面上）,作业：汽轮机转子上叶片的安装方式,建国初期，我国自行设计制造的汽轮机常发生叶片从根部断裂事故，试分析断裂原因。提出改进意见，建立改进后的叶片根部强度设计数学模型,自保护：当构件的变形量达到一定值时，为防止继续变形可能引起的失效，应设计另一传递力的路线。(转炉倾翻装置限位块、压簧的簧丝接触传力) 8稳定与双稳定原理 1)稳定性原理：结构设计上，应保证构件受外力干扰后， 会产生抵消或削弱干扰因素的影响 如：液压缸活塞设计 ，轴承部件热稳定性设计 2)双稳定原理：机构在临界状态之前是收敛型保守系统，属于稳定状态，在临界状态之后为发散性的非保守系统，属于非稳定状态。,如：深水炸弹起爆装置,当xxc时，,当xxc时，,第三章 科学设计过程,3-1 设计的逻辑思维过程,设计逻辑思维过程揭示了设计的规律和逻辑步骤，该逻辑思维过程适用于设计的全过程和设计的每一阶段,3-2 科学设计过程,科学设计过程能全面反映 设计工作中主要特征，符 合设计思维过程。 介绍一种设计过程模式。,联邦德国：VDI2222文件中的设计进程图,3-3 创造性设计,创造性设计主要应用于方案原理设计阶段，在结构设计阶段也常常采创造性设计方法。 所谓创造，就是发明或发现前人未涉及的领域、知识（发明专利）或结构（实用模型专利），并应用于机械设计，是新产品开发过程中的主要设计方法（途径）。 一 创造性思维的几种主要方式： 1 逻辑思维（应用逻辑推理方法）纵向推理、横向推理、逆 向推理 2 灵感思维（产生思维飞跃，需要触发信息） 3 扩散思维（利用知识和想象） 4 多向思维（有规律地多方向思维问题）,二 创造性技法 (国内外的研究较多，大约200300种技法，可归纳为：) 1.自激法(灵感法)针对某一问题或某一方向，大量查阅 资料，采用发散型思维方式，独立解决问题 2.他激法(集思广益法) 智爆法(智爆小组)； 635法； 步进法(Gordon法)； 书面集智法(Delphi法) 3.提问追溯法(奥斯体提问法、阿尔诺特提问法、5W-H) 4.系统分析法 5.优缺点列表法,创造性与目的相联系，要受市场、法律等约束，创造性活动的思维方式是发散收敛交替进行，即在方案设计阶段，要首先采用抽象化处理方法，抓住问题的本质（高度抽象），然后应用发散性思维广泛收集可能的解法，最后收敛求最优解决原理。,设计的三个层面,3-4 TRIZ创新设计理论,设计过程是一个发展的动态过程，是一个不断解决“常规问题”和“发明问题”的过程，是一个螺旋式上升的过程。 解决常规问题称为常规设计（大量为此设计）。 解决发明问题创新设计。 一个设计是由大量的常规设计和少量的创新设计所组成。 创新设计特征是在概念设计阶段（功能、原理、方案设计阶段）解决设计中的冲突和矛盾，提出新的有竞争能力的原理解。,3-5TRIZ基本概念,TRIZ是俄文字头的英译。 俄文： 中文：“创新式解决问题的理论” 英文：“Theory of Inventive Problem Solving” 1946年，前苏联海军专利部G.S.Altshugler等专家对百万专利文献加以研究，经五十多年的努力，发现了创新系统的规律，并由此建立一套完整的、适用的解决发明问题的方法，称为：TRIZ理论。其核心是技术系统进化原理，它是目前实现发明创造、创新设计、概念设计的最有效方法。,1. TRIZ的产生和主要内容,在研究了大量的专利及技术文件中，发现了如下规律： 不同领域在发明的问题上所采用的原理（方法）并不多。在不同时期、不同领域其原理或方法被反复使用。 发明创新原理适用于不同的领域。 解决冲突及问题的原理在不同的工业、军事及科学领域交替出现。 技术进化模式（规律）在不同工程及科学领域也交替出现。 创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域（学科交叉、技术杂交）,2.TRIZ的重要发现,3.TRIZ解决发明问题的一般方法,以前人们搞发明创造所用的方法：多为探索性（反复尝试），仿生法、经验法、灵感法。缺乏系统性的创新方法。 TRIZ的一般方法为：,对待解决的问题加以定义、明确。 应用TRIZ理论，将待解决的问题转化为类似的标准问题（抽象化处理），对问题归纳、总结出类似的标准解决方法。 依据标准的解决方法，解决实际的、特殊的问题。（由抽象到具体）,4.发明创造的等级划分,可划分为5个等级：（依据对科学的贡献程度、应用范围、经济效益） 通常的设计问题，对已知系统做简单改造。（依据设计人员的经验、知识，不需要创新，只是不同领域知识的运用）。（实用新型）（32%） 通常解决一个技术冲突，对已有的系统做局部改进。（不是跨学科的，在本领域内解决冲突）（45%） 对已有的系统做根本的改进（解决行业内的关键问题）（18%）,采用全新的原理完成对已有系统的功能性创新。（从科学的角度，而不是单纯的工程角度解决冲突，利用科学知识和原理解决发明创造问题）（4%） 用新揭示的自然规律或定律，导致一种发明创造。（激光器，形状记忆合金，计算机的首次发明）。（1%） 【发明的等级越高，应用的知识越多，难度越大，贡献越大，95%的发明是用行业内的知识，5%的发明用到了行业外的知识（学科交叉）。】,3-6 设计中的冲突及解决原理,一、冲突的概念,当修改某零件、部件的设计时，会提高机械系统某方面的性能，但同时会影响到相关零部件的设计，因而使系统的其他方面性能削弱，此现象为设计冲突。 例：提高电动机转速带来的问题。（功率不变的情况下，体积小、成本低，但带来） 传统的设计：当冲突发生时，采用折中的方法，而得不到彻底地解决，只是降低了冲突的程度。,如：潜望镜，增加可伸缩刚性镜的长度 创新设计：当冲突出现时，应用新知识和新技术解决或移走冲突。如：光纤潜望镜的发明 发明创造的核心是发现冲突和解决冲突。 产品进化过程是一个螺旋式上升的过程，即是一个不断发现冲突和不断解决冲突的过程。,二、冲突的分类,1.可分为三大类、两个层次，即冲突可作树状结构：,自然冲突是相对的，与人类的文明程度有关。某个时代的自然冲突在该时代是无解的，而在随后的某个时代可能有解 社会冲突设计人员的素质，社会组织形式，人们的观念和思维方式。 工程冲突是TRIZ理论研究的重点。,2.基于TRIZ的冲突分类,管理冲突、物理冲突、技术冲突,三、物理冲突的定义,为了实现某种功能，子系统或元件应具有某种特征，但同时会导致某些方面的相反的特征。 如：飞机的飞翼大小与起飞与高速间的矛盾关系；齿轮精度与成本的关系。,物理冲突的类型： 子系统中有害功能降低引起该系统有用功能的降低。 子系统中有用功能的加强引起的该系统有害功能的加强。,四、物理冲突的解决原理,现代TRIZ理论提出了分离原理是解决物理冲突的有效方法。,1.空间分离原理： 定义：将冲突在不同的空间上分离，以降低解决问题的难度。 应用条件： 冲突的双方在某一空间内只有一方存 在，空间分离是可能的。, 冲突的一方在整个空间里“正向”或“负向“变化（单调函数）。 冲突的一方在某处空间里不按一个方向变化。,2.时间分离原理 定义：冲突的双方在不同的时间段上分离，以降低解决问题的难度。 应用条件： 子系统双方在某一时间段上只能出现一方时， 可应用时间分离原理。 冲突的一方在整个时间段中会有“正”或“负”方向变化。 在时间段中，冲突的一方可不按一个方向变化。例如：变机翼的分离原理应用。,3.基本条件的分离 定义：冲突的双方在不同的条件下分离，以降低解决问题的难度。 应用条件：子系统的冲突双方在某一条件下只能出现一方时，可应用条件分离原理。 冲突的一方在所有的条件下都会有“正”或“负”方向变化。 在某些条件下，冲突的一方不按一个方向变化。例：流体动力润滑油膜形式的条件。（v=?）,4.总体与部分的分离 定义：冲突双方在不同层面上的分离，以降低解决问题的难度。,应用条件：冲突双方在关键子系统层面上只出现一方，而在其它层面上不出现。,例：齿轮齿面,五 技术冲突,定义：一个技术特征的有益改进，可导致有益的和有害的两种效应（表现为一个系统中两个子系统间的冲突）,技术冲突的三种情况：,(1)一个子系统中引入一种有益的功能后，会导致另一个子系统产生有害功能，或使已有的不利因素加强。例：火车制动时有时撒沙子，但增减磨损速度 (2)一个有害的功能导致另一个子系统有用功能的变化。 例：车轮运行中滚动摩擦系数增大会增加阻力，但有利于制动 (3)有用功能的加强或有害功能的减小使另一个子系统变得更复杂。 例：制导炮弹的制导功能，导致系统复杂和易受干扰。 采用分流汇流传动，可以减小体积，但存在不均匀问题。,六 技术冲突的一般化处理（抽象化处理）,(应用39个通用工程参数描述技术冲突的目的，是将实际工程设计中的冲突转化为一般的或类似的标准技术冲突)。 将众多的实际技术问题抽象归纳为39个工程技术参数。 标准的技术冲突是指39个工程参数中两两之间构成的冲突。,1)通用工程参数的抽象化描述。 39个工程参数可分为3类： 物理及几何参数112，1218，21 技术负向参数（即参数量与性能呈反比） 1516，1920，2226，3031 技术正向参数（即参数量与性能呈正比） 1314，2729，3239,2)例子： 机床：加工范围，床身越长加工精度越低系统精度越 高，加工工件精度 3)技术冲突与物理冲突： 技术冲突涉及两个基本参数A和B，AB或AB 物理冲突仅涉及系统中的一个子系统或部件的功能。,三 技术冲突的解决原理,1）概述： 创新、发明的经验可分为两类： 第一类：适用于本领域（一个专门的领域）的经验，由本领域的专家或研究人员总结出来的、适应范围较窄的。（如轧钢，锻压）,第二类：适用于不同领域的通用的技术经验，该经验是规律性的，具有普遍意义（宽口径）（机械设计理论及方法） TRIZ理论的技术冲突解决原理属于第二类经验,2）40条发明创造原理（是解决技术冲突的核心内容）,1.分割原理,模块化设计,2.分离原理,潜艇隔振,3.局部质量原理,4.不对称原理,半导体制冷原理,5.合并原理,6.多用性原理：使物体完成多项功能（多功能）,7.嵌套原理,8.预加反作用原理,9.质量补偿原理,10.预操作原理,11.预补偿原理：补偿物体相对较低的可靠性（自润滑轴承、 装配大入口设计，扭力杆的极限挡块、第二 安全措施设计钢包吊装）,12.等势性原理：转变工作条件，使物体不需要升高或降低 （双稳系统）（改变几何形状，使其获得等势 性）钟的运输,13.反向原理,14.曲面化原理,15.动态化原理,16.未达到或超过的作用原理：稍未达到或稍微超过的效应。 （精密铸造的型）（过笼机构，死点附近工作）,17.维数变化原理,18.振动原理,19.周期性作用原理,20.有效作用的 连续性原理,21.紧急行动原理：有害的操作在短期内完成（爆破拆楼爆 炸成型）,22.变有害 为益的 原理,23.反馈原理,24.中介物 原理,25.自服务原理,26.复制原理,27.低成本、低寿命的物体代替原产品（一次性产品）（热电 偶测刚水温度）,28.机械系统的 替代原理,29.气动、液动结构原理：用气、液部件代替固体部件（液压 弹簧，阻尼器）,30.柔性壳体及 薄膜原理,31.多孔材 料原理,32.改变颜色原理,33.同质性原理：采用相同或相似的物体相互作用。（合金刀 切削合金）,34.抛弃与修复原理,35.参数改变原理,36.状态变化原理：物体状态变化获得有益的效应：空气中的 O2固态造成局部缺氧,37.热膨胀原理 （热伸长实现 微动作）,38.加速氧化原理（发酵处理，顶吹转炉工艺）,39.惰性环境原理,40.复合材料原理：将单一材料改为复合材料（衣料、装甲 等）,3-7 利用冲突矩阵实现创新,一、冲突矩阵,3939的方阵 39（行）描述冲突的通用工程参数序号， 希望功能得到改善的参数 。 39（列）功能恶化的通用工程参数 行列的交点为元素包含解决冲突的各个发明原理。（40个 中的某几个发明原理）,二、解决冲突的步骤,1.定义待设计的系统 2.确定系统的主要功能 3.做功能分析，列出功能结构 4.求出各分功能的可能解 5.确定系统要改善的特性 6.涉及到的参数分别归纳成与39个通用工程参数对应的 参数 7.描述技术冲突（改善的参数及伴生的恶化参数） 8.降低恶化参数的恶化程度 9.应用冲突矩阵，确定相关元素（行、列的交点） 10.确定相关的发明原理 11.应用发明原理做功能原理设计，指导新的设计。 12.对设计进行评价、决策，进入技术设计。,3-8 利用技术进化模式实现创新,一 概述 技术进化模式（规律、路线）在不同的工程技术领域内都具有相同或相似的表现方式。随着时间的推移，技术性能呈曲线变化。在空间轴上可分为三个或四个阶段。纵坐标呈上升趋势,发明阶段：一项技术冲突用新的物理、化学、生物学领域的 知识，获得新的原理解的过程。（比较漫长，要 长期思考） 成长期：投入大量的人力、物力、使新的构思转化为产品， 产品的性能有显著的增长。 成熟期：投入和技术性能提高的比例增大，即投入大，收获 小，技术相对比较成熟。 退出期：此阶段应采用新的“核心技术”代替已有的核心技术 上述四个阶段组成了某产品的一个技术寿命周期。,二 技术系统进化模式,1.进化模式,以下的11条进化模式，可以引导设计人员尽快发现新的核心技术。,1.技术系统的生命周期为：出生、成长、成熟、退出。 孕育期产生一个新的概念，想法、构思、奇想 或称为概念设计，所用的时间较长。 出生期概念比较清晰，可以用功能来描述,2.增加理想化水平： 系统在实现某功能时，会产生（伴生）有害效应。所以设 计者应用创新活动增强有益效应，同时减小有害效应。 理想化（度）=所有的有益效应/所有的有害效应max,增加系统理想化程度 和水平的七个方面,3.系统元件的不均衡发展 减少各部件或子系统技术发展的不均衡性是开发创新设 计的前提（由于各子系统发展进化具有不均衡性，所以先 进入发展的自然极限的子系统将制约系统的性能的进步提 高。如低速滑动时速度有限制，即有最低速度极限，超过 滑动极限将发生爬行现象）,4.增加系统的动态性和可控性 系统会增加自身灵活性和可变性，以满足更多的功能要求. （增加系统的动态性和可控性的关键是如何找到问题的突 破口）。（设计由静态走向动态走向柔性化）,增加系统的动 态性的方法,增加系统可控性有十个途径：,1）引入控制场 2）引入添加剂（触媒） 3）引入动力学装置,5）引入组合控制（连锁） 4）引入逆向过程系统 6）引入一种控制方式 7）以一个过程控制另一个过程 8）自动控制 9）反馈控制 10）转换工作原理,5.集成化增加功能，然后再简化系统。 技术系统首先趋向结构复杂，然后逐渐精简（机械表 晶体石英表） 建立双系统或多系统是一个好的方法（双体船）,6.系统元件匹配与不匹配的交替出现 （如行军）（铣刀的切削角度）（车轮前后相同和不 相同）,7.由宏观系统向微观系统进化是技术系统发展趋势，可 以获得更理想的功能。如材料结构形式与温度的关系 从宏观向微观进化的七个阶段：,8.提高系统的自动化程度，减少人的介入（全自动，自适 应控制系统）,9.系统的分割模块化设计 10.改善系统的物质结构和进化模式材料科学问题。 11.系统元件的一般化处理（标准化、系列化） 技术进化模式的实质新的核心技术代替旧的核心技 术。目的是提高系统性能，降低成本，增加可靠性。,