工程领域中的概念设计及创新(精).doc

工程领域中的概念设计及创新摘要：本文论述了工程领域中的概念设计的主要原理和功能；阐述了 概念设计与创造性思维和技术创新的内在联系；举出了各种创造性思维的形式 并分析了其特点；强调技术创新在概念设计中的重要的作用；根据作者本人所 在的设计群体多年来的设计经验和体会总结出一系列的创新技法，并结合工程 设计领域中的概念设计创新实践，列举了若干种含有技术创新的产品概念设计 范例关键词：工程设计，概念设计，创造性思维，创新1 工程领域中的概念设计现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进 展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的 发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、 制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术 和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造 体系这些变化都深刻地影响着工程设计的发展工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和 计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域工程设计的费用往往只占最终 产品成本的一小部分（8 ~ 15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着 决定性的影响,并往往决定 70 ~ 80%的制造成本和营销服务成本。

所以说工程 设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代 社会生产力的龙头工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和 竞争能力的决定性因素之一工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即 反复地创造模型和评价模型的过程工程设计的内容大致可分为两类：一类是 数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表 格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作在设计方法学中，前 者称之为细节设计，后者称之为概念设计概念设计主要包括功能设计和结构 设计两大部分其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品 功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的 各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计然后进行评估和优化， 确定整体设计方案再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计 中去，实现细节设计可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运 用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量 的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用 户要求的设计方案来。

在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最 终设计实施之结果即产品也是三维形体可是多年来以二维绘图为基础的产品 设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎 枯三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供 了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念 设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实 等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性 这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能 力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动— —创新2 概念设计与创造性思维和技术创新2.1 创造性思维及其特点要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果设 计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更 充分的发挥创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的 本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物创造性思维有扩散 思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。

在 工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和 集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直 觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创 意的产品创造性思维具有如下一些特点：（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决 的问题它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在 的、新颖的、独特的思维这就是它的独创性独创性要求人们敢于对司空见 惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自 己思想上的“框框”, 从新的角度分析问题、认识问题2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开 拓思路连动思维表现为纵向、横向和逆向连动纵向连动针对某现象或问题 进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发横向连动则通过某一现象联想到 特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用逆向连动则是针对现 象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途 径3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路可以从一点向 多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。

4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验 在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化爱因斯坦有一句名言： “想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切， 推动着进步，并且是知识进化的源泉只有善于想象，才有可能跳出现有事 实的圈子，才有可能创新5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领 悟或理解它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种 新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决2.2 概念设计呼唤技术创新技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用概念设计中技术创新的本质就 是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因 为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见技术 创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果 创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方 面都是孕育技术创新的土壤：（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；（3） 突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技 术；（4） 新知识与现有知识的合理嫁接；（5） 产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；（6） 学科间的交叉、交融和借鉴；（7） 新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；（8） 科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。

由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：l智力激励法：又称集智法、智暴法即通过集会让设计人员用口头或 书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁 反应；l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从 中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点 （或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较 之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思， 从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优 解；l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的 组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起 来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或 新产品； l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括 知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链” 并按照 下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及 该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内 容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他 们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开 放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有 效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大 利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。

该方法适于更大范围内、更高 层面上的技术创新3 工程设计领域中的概念设计技术创新实践基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：（1） 采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的 可变画面巨型灯箱广告机的设计；（2） 时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力 学性能，又要有美观的外型，三维 CAD 建模技术和 NURBS 曲线面理论的应用；适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转 向架的设计；（4） 反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三 维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的 临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；（5） 基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡 时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄 电池一次充电使用的续行距离；（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风 4（11）型内燃机车发动机 端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；（7） 把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和 单片机控制的智能式检振锤的设计；（8） 虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。

这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明时速300 公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用我国已 通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路当我们看到法国TGV （Train de la Grande Vitesse）实验车速达到515.25公 里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑 中自然应该产生这样的概念：时速 300 公里的铁路机车车头的外型也应该像飞 机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性光顺”一词的几何 意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点从通俗的概念来理解， 即为“光滑顺眼”之意由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车 车身的细节设计环节铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的 要求归纳起来应是以下几个方面：具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力具有良好的结构布局及足够的强度和刚度l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面(如柱 面、球面、锥面、环面等)所能表达。

再者，若按常规设计、制造方法和过程 来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀只有积极谋 求技术进步，大力推广应用 CAD/CAM 技术才是解决车身外型改型频繁、不断创 新且满足上述各种要求的关键所在近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer. MATRA的 EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供。