材料加工新技術與新工藝第4章常用創(chuàng)新技法課件

機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計機械工程與自動化學院機械設計系姚立綱

機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計機械工程與自動化學院機械設計系1第四章創(chuàng)新設計方法第四章創(chuàng)新設計方法2第一節(jié)群體集智法一、智力激勵法二、書面集智法三、函詢集智法（德爾菲法）第一節(jié)群體集智法一、智力激勵法二、書面集智法三、函詢3第二節(jié)系統(tǒng)分析法一、設問探求法

二、缺點列舉法

三、希望點列舉法

四、特性列舉法

五、形態(tài)分析法第二節(jié)系統(tǒng)分析法一、設問探求法4利用設問探求法或檢核表法，人們就可以克服不愿提問或不善提問的心理障礙，從而為進一步分析問題和解決問題奠定基礎。能夠提出富有新意的問題，其本身就是一種創(chuàng)造。美國創(chuàng)造工程研究所編制出《新創(chuàng)意檢核用表》，以此作為提示人們進行創(chuàng)造性設想的工具。借鑒這種工具，設問探求法也從以下9個方面進行分項檢核，以促使設計者探求創(chuàng)意。一、設問探求法

利用設問探求法或檢核表法，人們就可以克服不愿提51)有無其他用途?現(xiàn)有事物還有沒有新的用途?或稍加改進能擴大它的用途?2)能否借用?能否借用別的經(jīng)驗?

有無與過去相似的東西?能否模仿點什么?3)能否改變?意義、顏色、活動、音響、氣味、式樣、形狀等能否作其他改變?

1)有無其他用途?64)能否擴大?能否增加什么?時間、頻度、強度、高度、長度、厚度、附加價值、材料能否增加?能否擴張?5)能否縮小?能否減少什么?再小點?濃縮?微型化?再低些?再短些?再輕些?省略?能否分割化小?能否采取內(nèi)裝?4)能否擴大?76)能否代用?能否取而代之?其他材料?其他制造工藝?其他動力?其他場所?其他方法?7)能否重新調(diào)整?可否更換條件?用其他的型號?用其他設計方案?用其他順序?能否調(diào)整速度?能否調(diào)整程序?6)能否代用?88)能否顛倒過來?可否變換正負?顛倒方位?反向有何作用?9)能否組合?混成品、成套東西是否統(tǒng)一協(xié)調(diào)?單位、部分能否組合?目的能否綜合?主張能否綜合?創(chuàng)造設想能否綜合?設問探求法被稱為“創(chuàng)造技法之母”，它適合各種類型和場合的創(chuàng)造性思考，主要基于以下幾點原因：8)能否顛倒過來?設問探求法被稱為“創(chuàng)造9例：自行車的新創(chuàng)意以自行車為創(chuàng)新設計對象，運用設問探求法提出有關自行車的新產(chǎn)品概念，結果如表所示。序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明1有無其它用途多功能保健改進自行車、組合式多功能家用健身器2能否借用自助借用機動車傳動原理，成為自助車3能否改變太空改變傳統(tǒng)形態(tài)，橢圓形鏈輪，設計出太空車例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明1有無其10例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明4能否擴大新型鞍座擴大鞍座、舒適、儲物5能否縮小兒童兒童微型車6能否代用新材料新材料、輕便、高強度例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明11例：自行車的新創(chuàng)意7能否重新調(diào)整長度可調(diào)調(diào)整前后輪距、縮小占地空間8能否顛倒可后退開發(fā)可后退自行車、方便使用9能否組合自行車水泵三輪小型水泵與自行車結合，方便農(nóng)村使用設計三輪自行車、供兩人同乘例：自行車的新創(chuàng)意7能否重新調(diào)整長度可調(diào)調(diào)整前后輪距12五、形態(tài)分析法1、形態(tài)分析的特點

因素和形態(tài)是形態(tài)分析中的兩個基本概念。因素指構成某種事物的特性因子。如工業(yè)產(chǎn)品，可以用若干反映產(chǎn)品特定用途或功能作為基本因素。相應的實現(xiàn)各功能的技術手段，則稱之為形態(tài)。將“控制時間”作為某產(chǎn)品的一個基本因素，那么“手動控制”、“機械定時器控制”和“電腦控制”等技術手段，則為相應因素的表現(xiàn)形態(tài)。五、形態(tài)分析法13形態(tài)分析是對創(chuàng)造對象進行因素分解和形態(tài)綜合的過程。這一過程中，發(fā)散思維和收斂思維起著重要的作用。創(chuàng)造過程中，應用形態(tài)分析法的基本途徑，是先將創(chuàng)造課題分解為若干相互獨立的基本因素，找出實現(xiàn)每個因素要求的所有可能的技術手段(形態(tài))，然后加以系統(tǒng)綜合而得到多種可行解，經(jīng)篩選可獲得最佳方案。形態(tài)分析是對創(chuàng)造對象進行因素分解和形態(tài)綜合的過程。142、形態(tài)分析法的運用程序

1)因素分析因素分析確定創(chuàng)造對象的構成因素。分析時，要使確定的因素滿足3個基本要求：一是各因素在邏輯上彼此獨立；二是在本質上是重要的；三是在數(shù)量上是全面的。如何滿足這些要求？確定哪些共同的子系統(tǒng)或過程，確定可能影響最終方案的重要因素理解因素的本質及重要性避免因素彼此包含或不重要避免遺漏因素，導致創(chuàng)造性設想遺漏。2、形態(tài)分析法的運用程序152)形態(tài)分析列出多因素可能的全部形態(tài)(技術手段)。要求發(fā)散思維列出滿足功能要求的多種技術手段列出本專業(yè)領域的和其他專業(yè)領域的3)方案綜合采取形態(tài)學矩陣或綜合表的形式形態(tài)學矩陣綜合表，若因素為A、B、C，對應的形態(tài)分別為3、5、4個，則理論上可綜合出3×5×4＝60個方案。如A1-B2-C3為一組方案。在全體方案中，既包含有意義的方案，也包含無意義的虛假方案。2)形態(tài)分析3)方案綜合16形態(tài)因素AA1A2A3BB1B2B3B4B5CC1C2C3C44)方案評選要對可行方案進行評選，找出最佳的可行方案。評選時先要制訂選優(yōu)標準，一般用新穎性、先進性和實用性三條標準進行初評，再用技術經(jīng)濟指標進行綜合評價，好中選優(yōu)。形態(tài)AA1A2A3BB1B2B3B417例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意1907年手動洗衣機1910年電動洗衣機例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意1907年18例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意“托爾”電動洗衣機海報1922鑄鋁桶體旋轉洗衣機例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意“托爾”電191)因素分析從洗衣機的總體功能“洗滌衣物”，得到“盛裝衣物”、“分離臟物”和“控制洗滌”等分功能，作為形態(tài)分析的3個因素。2)形態(tài)分析

對應分功能因素的形態(tài)，是實現(xiàn)這些功能的各種技術手段或方法。為列舉功能形態(tài)，應進行信息檢索，密切注意各種有效的技術手段與方法。在考慮利用新的方法時，可能還要進行必要的試驗，以驗證方法的可利用性和可靠性。1)因素分析2)形態(tài)分析203個分功能中，“分離臟物”是最關鍵的功能因素，列舉其技術形態(tài)或功能載體時，要針對“分離”二字廣思、深思和精思，從多個技術領域(機、電、熱、聲等)去發(fā)散思考。3)列形態(tài)學矩陣并進行方案綜合經(jīng)過一系列分析和思考，在條件成熟時即可建立起表所示的洗衣機形態(tài)學矩陣。理論上可組合出4×4×3＝48種方案。3個分功能中，“分離臟物”是最關鍵的功能因素，列舉其21因素（分功能）形態(tài)（功能解）1234A盛裝衣物鋁桶塑料桶玻璃鋼桶陶瓷桶B分離贓物機械摩擦電磁振蕩熱脹超聲波C控制洗滌人工手控機械定時電腦自控4)方案評選方案1：A1-B1-C1是一種最原始的洗衣機。方案2：A1-B1-C2是最簡單的普及型單缸洗衣機。這種洗衣機通過電動機和V帶傳動使洗衣桶底部的波輪旋轉，產(chǎn)生渦流并與衣物相互摩擦，再借助洗衣粉的化學作用達到洗凈衣物的目的。因素形態(tài)（功能解）1234A盛裝衣物鋁桶塑料桶玻22方案3：A2-B3-C1是一種結構簡單的熱脹增壓式洗衣機。它在桶中裝熱水并加進洗衣粉，用手搖動使桶旋轉增壓，也可實現(xiàn)洗凈衣物的目的。方案4：A1-B2-C2所對應的方案，是一種利用電磁振蕩原理進行分離臟物的洗衣機。這種洗衣機可以不用洗滌波輪，把水排干后還可利用電磁振蕩使衣物脫水。方案5：Al-B4-C2是超聲波洗衣機的設想，即考慮利用超聲波產(chǎn)生很強的水壓使衣物纖維振動，同時借助氣泡上升的力使衣物運動而產(chǎn)生摩擦，達到洗滌去臟的目的。其他方案。。。。。。方案3：A2-B3-C1是一種結構簡單的熱脹增壓式洗衣機23圖示為超聲波洗衣機的基本原理。先在洗衣桶1內(nèi)放人要洗的衣物和洗衣粉，并注入適量的水。啟動電磁式氣泵4，壓力風經(jīng)氣泵送氣管5，風量調(diào)節(jié)器7和送氣管6至桶底部的空氣分散器2，產(chǎn)生微細氣泡，并在桶內(nèi)上升。圖示為超聲波洗衣機的基本原理。24微細氣泡相互碰撞，當逸出水面時破裂。氣泡破裂時產(chǎn)生50～30000Hz的超聲波，尤其是20000Hz以上的超聲波，可以產(chǎn)生很強的水壓，使衣物纖維振動，產(chǎn)生洗滌作用。在超聲波乳化作用的短時間內(nèi)，衣物的油脂或污垢被分離。微細氣泡相互碰撞，當逸出水面時破裂。氣泡破裂時產(chǎn)生525磁懸浮無水洗衣機Orbit開始工作后，放入臟衣服的圓球會被磁浮力來推動，而這個速度可以把二氧化碳與有機物質產(chǎn)生像干冰的氣流。整個洗衣過程不會產(chǎn)生噪音，時間也只需數(shù)分鐘而已。磁懸浮無水洗衣機Orbit開始工作后，放入臟衣26磁懸浮無水洗衣機其操作過程非常簡單：首先用戶將衣服放入不碎玻璃制造的球體內(nèi)(不需洗衣粉和水)，然后透過頂上的觸控按鍵開機，最后把它放在環(huán)狀機上的底座板就可以了。磁懸浮無水洗衣機其操作過程非常簡單：首先用戶將27第三節(jié)聯(lián)想類比法一、聯(lián)想法

聯(lián)想是從一概念想到他概念，從一事物想到他事物的一種心理活動或思維方式。聯(lián)想思維由此及彼、由表及里，形象生動、無窮無盡。 聯(lián)想猶如心理中介，通過事物之間的關聯(lián)、比較、聯(lián)系，逐步引導思維趨向廣度和深度，從而產(chǎn)生思維突變，獲得創(chuàng)造性聯(lián)想。第三節(jié)聯(lián)想類比法一、聯(lián)想法281、相似聯(lián)想相似聯(lián)想是從某一思維對象想到與它具有某些相似特征的另一思維對象的聯(lián)想思維。這種相似，既可能是形態(tài)上的，也可能是空間、時間、功能等意義上的。

1、相似聯(lián)想29傳統(tǒng)的金屬軋制方法如圖所示，兩軋輥反向同速轉動，板材一次成型。采用這種方法，由于一次壓下量過大，鋼板在軋制過程中極易產(chǎn)生裂紋。傳統(tǒng)的金屬軋制方法如圖所示，兩軋輥反向同速轉動，板30日本為解決上述問題冥思苦想，當技術員看到用搟面杖搟面時，其連續(xù)漸進、逐漸搟薄的過程，由此聯(lián)想，發(fā)明了行星軋輥，使金屬的延展分為多次進行，消除了鋼材裂紋，取得專利。日本為解決上述問題冥思苦想，當技術員看到用搟面杖搟31美國工程師斯潘塞在做微波空間分布情況的試驗時，發(fā)現(xiàn)衣兜內(nèi)的巧克力被熔化。常溫下什么原因使巧克力熔化呢?斯潘塞分析是微波使巧克力內(nèi)部分子發(fā)生振蕩，從而產(chǎn)生熱能。他由此聯(lián)想到，微波能熔化巧克力，一定也會使其他食品由于內(nèi)部分子振蕩而受熱，通過聯(lián)想發(fā)明了微波爐。美國工程師斯潘塞在做微波空間分布情況的試驗時，發(fā)現(xiàn)32為提高汽油在氣缸中的燃燒效率，必須使汽油與空氣均勻混合。美國工程師道立安看到用噴霧器往身上噴灑香水形成均勻霧狀的形態(tài)而聯(lián)想到了使空氣和液體均勻混合的方法，從而發(fā)明了汽車化油器。為提高汽油在氣缸中的燃燒效率，必須使汽油與空氣均勻33

章動齒輪的工作原理源于一個在桌面上繞圓周擺動的硬幣。章動傳動章動齒輪的工作原理源于一個在桌面上繞圓周擺動的34它將重錘2與浮子1浮力的平衡原理以及將回轉運動變換成直線運動的運動變換原理加以聯(lián)想和擴展，并將兩者巧妙組合，從而發(fā)明出簡單可靠的記錄儀。

浮子1的升降轉變?yōu)樾↓X輪3的轉動，從而帶動固接有記錄筆的齒條4移動，在鐘表發(fā)條機構5驅動下作勻速轉動的卷筒紙上，就可得到液位升降記錄。圖示為液面升降自動記錄儀。它將重錘2與浮子1浮力的平衡原理以及將回轉運動變換成352、接近聯(lián)想接近聯(lián)想是從某一思維對象想到與它有接近關系的思維對象上去的聯(lián)想思維。接近關系可能是時間和空間上的，也可能是功能和用途上的，還可能是結構和形態(tài)上的等等。俄國化學家門捷列夫在1869年宣布的化學元素周期表僅有63個元素。他將其按質量排列后，看到了空間位置的空缺，其空間位置的接近性使他產(chǎn)生聯(lián)想，進而推斷出空間位置有尚未被發(fā)現(xiàn)的新元素，并給出了基本化學元素屬性。2、接近聯(lián)想俄國化學家門捷列夫在1869年宣布的化學36美國發(fā)明家威斯汀豪斯一直希望尋求一種同時作用于整列火車車輪的制動裝置。當他看到在挖掘隧道時，驅動風鉆的壓縮空氣是用橡膠軟管從數(shù)百米之外的空氣壓縮站送來的現(xiàn)象時，運用接近聯(lián)想，腦海里立刻涌現(xiàn)了氣動剎車的創(chuàng)意，從而發(fā)明了現(xiàn)代火車的氣動剎車裝置。這種裝置將壓縮空氣沿管道迅速送到各節(jié)車廂的氣缸里，通過氣缸的活塞將剎車閘瓦抱緊在車輪上，從而大大提高了火車運行的安全性，至今仍被廣泛采用。美國發(fā)明家威斯汀豪斯一直希望尋求一種同時作用于整列37

3、對比聯(lián)想客觀事物之間廣泛存在著對比關系，諸如冷與熱、白與黑、多與少、高與低、長與短、上與下、寬與窄、凸與凹、軟與硬、干與濕、遠與近、前與后、動與靜等等。對比聯(lián)想就是由事物間完全對立或存在某些差異而引起的聯(lián)想。由于是從對立的、顛倒的角度去思考問題，因而具有背逆性和批判性，常會產(chǎn)生轉變思路、出奇制勝的良好效果。3、對比聯(lián)想38l901年時的除塵器只能吹塵，飛揚的塵土令人窒息。英國人赫伯布斯運用對比聯(lián)想，吹塵不好，吸塵如何?他用捂著手絹的嘴試著吸塵土，結果成功了，他繼而發(fā)明出帶有灰塵過濾裝置的負壓吸塵器。l901年時的除塵器只能吹塵，飛揚的塵土令人窒息39在曲柄搖桿機構中，即使曲柄勻速轉動，搖桿擺動的角速度也并不均勻。工程中，有時希望搖桿能獲得近似均勻的角速度。曲柄搖桿機構是將主動件曲柄的勻速轉動變成從動件的變速運動，反過來，讓變速運動的搖桿作主動件，就可使曲柄作勻速運動，若不作整周轉動，即可得勻速擺動。在曲柄搖桿機構中，即使曲柄勻速轉動，搖桿擺動的角速40圖示為輸出件近似勻速擺動的連桿機構。該連桿機構由兩個曲柄搖桿機構對稱串聯(lián)而成，前一機構中變速擺動的搖桿3正是后一機構中的主動件。該機構中輸出件1能夠獲得120°～150°擺角的近似勻速的擺動運動，其角速度曲線如圖。圖示為輸出件近似勻速擺動的連桿機構。該連桿機構由兩414、強制聯(lián)想強制聯(lián)想法是綜合運用聯(lián)想方法而形成的一種非邏輯型創(chuàng)造技法，是由完全無關或親緣相當遠的多個事物及間接之間，牽強附會地找出其聯(lián)系的方法。例如，椅子和面包之間的強制聯(lián)想，能引發(fā)出：面包—軟—軟呼呼的沙發(fā)；面包—熱—局部加熱的保健椅，如按摩椅、遠紅外保健椅等。4、強制聯(lián)想例如，椅子和面包之間的強制聯(lián)想，能42建筑師薩里受委托在紐約肯尼迪機場設計一座建筑。柚子那漂亮的外殼使他聯(lián)想到了與之風馬牛不相及的建筑，因而設計出了完全流線型式樣、把彎曲和環(huán)轉包涵其內(nèi)的世界一流建筑。建筑師薩里受委托在紐約肯尼迪機場設計一座建筑。柚子那漂亮43二、類比法比較分析兩個對象之間某些相同或相似之點，從而認識事物或解決問題的方法，稱為類比法。

類比法以比較為基礎。將陌生與熟悉、未知與已知相對比，這樣，由此物及于彼物，由此類及于彼類，可以啟發(fā)思路，提供線索，觸類旁通。

采用類比法關鍵是本質的類似，并且不但要分析本質的類似，還要認識到它們之間的差別，避免生搬硬套，牽強附會。二、類比法441．擬人類比擬人類比是將人設想為創(chuàng)造對象的某個因素，設身處地想像，從而得到有益的啟示。擬人類比將自身思維與創(chuàng)造對象融為一體。在人與人關系中，設身處地地考慮問題；以物為創(chuàng)造對象時，投入感情因素，將創(chuàng)造對象擬人化，體驗問題，產(chǎn)生共鳴，從而悟出某些無法感知的因素。1．擬人類比擬人類比是將人設想為創(chuàng)造對象的某個因素，452．直接類比

將創(chuàng)造對象直接與相類似的事物或現(xiàn)象作比較稱為直接類比。直接類比簡單、快速，可避開盲目思考。類比對象的本質特征愈接近，則成功率愈大。2．直接類比將創(chuàng)造對象直接與相類似的事物或現(xiàn)象作比較462．直接類比物理學家歐姆將電與熱從流動特征考慮進行直接類比，把電勢比作溫度，把電流總量比作一定的熱量，終于首先提出了著名的歐姆定律。2．直接類比物理學家歐姆將電與熱從流動特征考慮進行直473．象征類比象征類比是直覺感知，并使問題關鍵顯現(xiàn)、簡化。文學作品、建筑設計多用此法。像玫瑰花喻愛情，綠色喻春天，火炬喻光明，日出喻新生等。象征類比是借助事物形象和象征符號來比喻某種抽象的概念或思維感情。3．象征類比象征類比是直覺感知，并使問題關鍵顯現(xiàn)、484．因果類比因果類比需要聯(lián)想，要善于尋找過去已確定的因果關系，善于發(fā)現(xiàn)事物的本質。兩事物間有某些共同屬性，根據(jù)一事物的因果關系推出另一事物的因果關系的思維方法，稱為因果類比法。4．因果類比因果類比需要聯(lián)想，要善于尋找過去已確定的494．因果類比加入發(fā)泡劑的合成樹脂，其中充滿微小孔洞，具有省料、輕巧、隔熱、隔音等良好性能。日本的鈴木運用因果類比例尺，聯(lián)想到在水泥中加入發(fā)泡劑，結果發(fā)明了一種具有同樣優(yōu)良性能的新型建筑材料——汽泡混凝土。廣東?？邓幤饭就ㄟ^研究發(fā)現(xiàn)，牛黃生成的機理是因為混進膽囊內(nèi)的異物刺激膽囊分泌物增多，日積月累形成膽結石。他們聯(lián)想到河蚌育珠的過程，由此作因果類比，在牛的膽囊內(nèi)植入異物，果然形成膽結石——牛黃。4．因果類比加入發(fā)泡劑的合成樹脂，其中充滿微小孔洞，50三．仿生法仿生法具有啟發(fā)、誘導、拓寬創(chuàng)造思路之功效。從自然界獲得靈感，再將其應用于人造產(chǎn)品中的方法，稱為仿生法。仿生法不是自然現(xiàn)象的簡單再現(xiàn)，而是將模仿與現(xiàn)代科技手段相結合，設計出具有新功能的仿生系統(tǒng)。這種仿生存在于創(chuàng)造思維的全過程中，它是對自然的一種超越。三．仿生法仿生法具有啟發(fā)、誘導、拓寬創(chuàng)造思路之功效。511．原理仿生蝙蝠用超聲波辨別物體位置的原理使人類大開眼界。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，蝙蝠的喉內(nèi)能發(fā)出十幾萬赫茲的超聲波脈沖。這種聲波發(fā)出后，遇到物體就會返射回來，產(chǎn)生報警回波。蝙蝠根據(jù)回波的時間確定距障礙物的距離，根據(jù)回波到達左右耳的微小時間差確定障礙物的方位。人們利用這種超聲波的探測本領，測量海底地貌、探測魚群、尋找潛艇、探測物體內(nèi)部缺陷、為盲人指路等。模仿生物的生理原理而創(chuàng)造新事物的方法稱為原理仿生法。比如模仿鳥類飛翔原理的各式飛行器；按蜘蛛爬行原理設計的軍用越野車等。1．原理仿生蝙蝠用超聲波辨別物體位置的原理使人類大521．原理仿生烏賊靠噴水而前進，且十分迅速、靈活。人們模仿這一原理，制成了靠噴水前進的“噴水船”。這種噴水船由柴油機帶動軸流泵，軸流泵帶動的葉輪先將水吸入，再從船尾的噴水口把水猛烈噴出，靠反作用力推動船體向前行駛。香蕉皮比梨皮、蘋果皮等其他水果皮要滑。人們研究發(fā)現(xiàn)，香蕉皮由幾百個薄層構成，且層間結構松弛、水分豐富，這就是香蕉皮比其他果皮要滑一些的原因。據(jù)此原理，人們發(fā)明了層狀結構的優(yōu)良的潤滑材料——二硫化鉬。1．原理仿生烏賊靠噴水而前進，且十分迅速、靈活。人們532．結構仿生蒼蠅和蜻蜓是復眼結構，即在每一個小六角形的單眼中，都有一小塊可單獨成像的角膜。在復眼前邊，即使只放一個目標，但通過一塊塊小角膜，看到的卻是許多個相同的影像。人們仿照這種結構，把許多光學小透鏡排列組合起來，制成復眼透鏡照相機，一次就可拍出許多張相同的影像。模仿生物結構取得創(chuàng)新成果的方法稱結構仿生法。比如，從鋸齒狀草葉到鋸子。2．結構仿生蒼蠅和蜻蜓是復眼結構，即在每一個小六角542．結構仿生蜂房的特殊的結構具有同樣容積下最省料的特點。經(jīng)研究，人們還發(fā)現(xiàn)蜂房單薄的結構還具有很高的強度，據(jù)此，人們發(fā)明了各種重量輕、強度高、隔音和隔熱等性能良好的蜂窩結構材料。法國園藝家莫尼哀看到盤根錯節(jié)的植物根系結構使植物根下泥土堅實牢固、雨水都沖不走的自然現(xiàn)象，用鐵絲做成類似植物根系的網(wǎng)狀結構，用水泥、碎石澆制成了鋼筋混凝土。2．結構仿生蜂房的特殊的結構具有同樣容積下最省料的553．外形仿生“船鰭”不僅減少了船舶傾覆的危險，而且還具有降低驅動功率、提高航速的作用。研究模仿生物外部形狀的創(chuàng)造方法稱外形仿生法。比如，從貓、虎的爪子想到在奔跑中急停的釘子鞋；從鮑魚想到的吸盤等等。仿袋鼠行走方式，發(fā)明了跳躍運行的汽車3．外形仿生“船鰭”不僅減少了船舶傾覆的危險，而且還564．信息仿生通過研究、模擬生物的感覺(包括視覺、嗅覺、聽覺、觸覺等)、語言、智能等信息及其存儲、提取、傳輸?shù)确矫娴臋C理，構思和研制出新的信息系統(tǒng)的仿生方法稱信息仿生法。根據(jù)水母“耳”腔內(nèi)有一帶小柄的球，在8～13Hz的風暴產(chǎn)生頻率傳來時，它便振動并刺激“耳”神經(jīng)。人們發(fā)明了風暴預警器。4．信息仿生通過研究、模擬生物的感覺(包括視覺、嗅574．擬人仿生人腦頭蓋骨由八塊骨片組成，形薄、體輕，卻非常堅固。羅馬體育館的設計師將人腦頭蓋骨的結構、性能與體育館的屋頂進行類比，成功地建造了著名的薄殼建筑——羅馬體育館。通過模仿人體結構功能等進行創(chuàng)造的方法稱為擬人仿生法。隨著科學技術的不斷進步，具有各種功能的機器人逐漸進入了我們的生活之中。4．擬人仿生人腦頭蓋骨由八塊骨片組成，形薄、體輕，58第四節(jié)轉向創(chuàng)新法創(chuàng)新活動是探索性的實踐活動，現(xiàn)代的創(chuàng)新活動通常是有計劃、有目的的實踐活動。一．變換方向法在創(chuàng)新實踐活動中，人們按照自己的計劃去探索未知世界的秘密，按照預想的方法解決那些尚待解決的問題。在實踐過程中，人們會發(fā)現(xiàn)某些計劃、方法在實踐中行不通，這時應根據(jù)實踐過程提供的信息，及時修正計劃、修改方法，繼續(xù)有效地探索。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法創(chuàng)新活動是探索性的實踐活動，現(xiàn)代的59第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法人們在探索某些問題(函數(shù))解的過程中通常將一些因素(自變量)固定，探索另外一些因素(變量)對所求解問題的影響，但有時求解的關鍵因素恰恰在被固定的那些因素當中；由于思考問題的習慣模式的限制，往往把某些影響因素看作是不變的(將變量看作常量)，這就限制了求解區(qū)域。意識到這一點，在問題求解的過程中通過變換求解因素，常可獲得意外的結果。這種方法稱為變元法。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法人們在探60第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法公元2世紀，托勒密提出關于天體運行的系統(tǒng)理論，稱為”地心說”。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法公元2世61第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法天文觀測表明，行星相對于地球的速度忽快、忽慢、忽進、忽退。為解釋行星的運動，托勒密使用了本輪加均輪的模型：即行星在一個較小的圓周(本輪)上運動，本輪的圓心又在較大的均輪上運動(這種模型很像機械中的行星輪系)。這種模型對天體的解釋符合人們的日常觀察習慣，在天文觀測精度不高的情況下也能解釋觀測結果。隨著觀測精度的提高，人們發(fā)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)與托勒密的體系不符，于是不斷修正托勒密體系，在原來的體系上再增加新的本輪和均輪，到16世紀時經(jīng)改進的托勒密體系已經(jīng)擁有79個本輪和均輪，其復雜程度令人難以置信。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法天文觀測表62第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法哥白尼認真研究了大量的天文觀測資料，并親自從事了30多年的天文觀測。他發(fā)現(xiàn)托勒密的體系太復雜，而且與觀測結果不符。他發(fā)現(xiàn)如果不是將地球放在宇宙的中心，而是將太陽放在宇宙的中心，則對許多問題的解釋就簡單多了。他突破了傳統(tǒng)的“地心說”的束縛，創(chuàng)立了新的天體理論體系“日心說”。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法哥白尼認真63第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法普通水閘通常沿垂直方向開啟和關閉，而英國泰晤士河防潮閘則設計為如圖所示的結構，閘門的開啟和關閉的操作是以旋轉動動實現(xiàn)的，水對閘的作用力合力通過旋轉軸心，高潮位時下游的海水對水閘的作用不會影響水閘的阻水功能。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法普通水閘64第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法壓路機通常依靠自身重量實現(xiàn)對路面的壓實，圖所示的振蕩式壓路機除靠自身重量的作用外，還通過機身的振蕩增強碾壓效果，在圖a所示的方案中機身沿垂直方向振蕩，振蕩對駕駛員的影響較大。圖b所示方案將機身的振蕩方向改在水平方向，既減少了振蕩對駕駛員的影響，又增強了碾壓效果，使用證明效果良好。(a)(b)第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．變元法一．變換方向法壓路機通常65第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法設計的目的是為了實現(xiàn)某種功能，而很多不同的作用原理可以實現(xiàn)相同或相似的功能，當采用某種作用原理得不到預期的效果時，可以探索其他的作用原理是否可行。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法設計的目66第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法在機械表的設計中，通過擒縱調(diào)速機構調(diào)整表的走時速度，擒縱調(diào)速機構中擺輪和游絲所構成的質量彈簧系統(tǒng)的擺動頻率成為機械表的時間基準。由于這一系統(tǒng)的頻率受到溫度、重力、潤滑條件等眾多因素的影響，因此，很難通過這一系統(tǒng)以廉價的方法獲得長時間穩(wěn)定運轉的時間基準。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法在機械表的67第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法人們尋求用其他的工作機理作為時間基準時發(fā)現(xiàn)石英晶體振蕩器電路以其極高的頻率穩(wěn)定性可以滿足對計時精度的要求。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法人們尋求用68第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法美國發(fā)明家卡爾森在從事律師工作中看到復制文件需要花費大量的人力勞動，萌生了發(fā)明復印機的設想。通過查閱大量專利文獻發(fā)現(xiàn)以前所有關于復印機的研究都只是試圖通過化學方法實現(xiàn)復印，于是他改變研究方向，探索用物理效應實現(xiàn)復印功能，最后應用光電效應發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用的靜電復印機。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法美國發(fā)明家69第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法遠距離信息傳遞通常將信息轉換為電信號，使用電纜作為媒介進行傳遞，信息傳遞容量小，抗干擾性差，鋪設電纜需要消耗大量有色金屬，價格昂貴。現(xiàn)在普遍采用的光纜通信方式以激光束作為信號載體，以光導纖維(玻璃纖維)作為傳播媒介，克服了電纜信號傳輸?shù)娜秉c，極大地提高了信息的傳遞能力。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法遠距離信息70第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法以前的照相機是將光學影像信息記錄在底片上，用光學方法進行處理，處理過程中的失真是不可避免的。數(shù)字照相機將影像信息以數(shù)字信號的方式存儲在磁盤上，由于采用數(shù)字方式存儲圖像信息，使得可以應用計算機的各種數(shù)字信號處理技術對影像信息進行存取、處理、變換和傳遞，擴大了照相技術的應用領域。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法以前的照相71第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法在平板玻璃的制造中，在很長時期內(nèi)一直采用“垂直引上法”，這種方法是將處于半流體狀態(tài)的玻璃從熔池中向上牽引，通過中間的軋輥間距控制玻璃厚度，玻璃經(jīng)過軋輥后逐漸冷卻凝固。用這種方法制造的平板玻璃不可避免地出現(xiàn)波紋和厚度不均的現(xiàn)象。英國的玻璃制造公司發(fā)明了一種新的平板玻璃制造工藝-“浮法”，這種工藝是使液態(tài)玻璃漂浮在某種處于液態(tài)的低熔點金屬的液面上，并使其在流動中逐漸凝固。用這種方法制造的平板玻璃不但厚度非常均勻，而且表面沒有波紋。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．變理法一．變換方向法在平板玻璃72第四節(jié)轉向創(chuàng)新法二．逆向法在問題求解的過程中，由于某種原因使人們習慣向某一個方向努力，但實際上問題的解卻可能位于相反的方向上，意識到這種可能性，在求解問題時及時變換求解方向，有時可以使很困難的問題得到解決。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法二．逆向法在問題求解的過程中，由73第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．反向探求法二．逆向法圓珠筆發(fā)明以后曾風行一時，但不久就暴露出筆油泄漏的毛病。日本人中田藤三郎運用反向探求法成功地解決了這個問題。沒有像其他人那樣設法提高筆珠的使用壽命，而是向相反的方向尋求問題的解，他創(chuàng)造性地提出，如果控制圓珠筆芯中油墨的量，使得所裝油墨只能書寫大約一萬五千字左右，當漏油的問題還沒有出現(xiàn)時筆芯就己被丟棄了。第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．反向探求法二．逆向法圓珠筆發(fā)明以74第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．反向探求法在鎢絲燈泡發(fā)明初期，為了避免鎢絲在高溫下的氧化，需要將燈泡內(nèi)抽真空，但是使用后發(fā)現(xiàn)抽真空后的燈絲通電后仍會變脆。美國科學家蘭米爾卻應用反向探求法提出一個新的解決問題的思路。他提出向燈泡內(nèi)充氣的方法，因為充氣比抽真空在工藝上要容易得多。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法1．反向探求法在鎢絲燈泡發(fā)明初期，75第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．因果顛倒法在自然界中，很多自然現(xiàn)象之間是有聯(lián)系的，在某個自然過程中，一種自然現(xiàn)象可以是另一種自然現(xiàn)象發(fā)生的原因，而在另一個自然過程中，這種因果關系可能會顛倒。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．因果顛倒法在自然界中，很多自76第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．因果顛倒法1799年，意大利科學家伏打將鋅片和銅片放在盛有鹽水的容器中，發(fā)明了能夠將化學能轉變?yōu)殡娔埽⒛芴峁┓€(wěn)定電流的“伏打電池“。英國物理學家、化學家尼科爾森和英國解剖學家卡萊爾進行了電解水的試驗，他們將連接電池兩極的銅線浸入水中，使兩線接近，這時一根銅線上產(chǎn)生氫氣，另一根銅線被氧化。1807年英國化學家戴維應用電解法發(fā)現(xiàn)了金屬元素鉀和鈉，1808年又用同樣的方法發(fā)現(xiàn)了鈣、鍶、鐵、鎂、硼等元素。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法2．因果顛倒法1799年，意大利77第四節(jié)轉向創(chuàng)新法3．順序、位置顛倒法

人們在長期從事某些活動的過程中，對解決某類問題的過程及過程中各種因素的順序及事物中各要素之間的相對位置關系形成固定的認識，將某些已被人們普遍接受的事物順序或事物中各要素之間的相對位置關系顛倒，有時可以收到意想不到的效果。在適當?shù)臈l件下，這種新方法可能解決常規(guī)方法不能解決的問題。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法3．順序、位置顛倒法人們在長期從事78第四節(jié)轉向創(chuàng)新法3．順序、位置顛倒法人們在使用基數(shù)詞或是序數(shù)詞時，總是習慣于按照從小到大的順序使用。1927年德國某電影公司在拍攝科幻影片《月球少女》時，為了獲得戲劇性的效果，導演提出了一個極具創(chuàng)造性的方法，他將火箭發(fā)射時的計時程序從人們所習慣的從小到大的順計時程序改變?yōu)閺拇蟮叫≈钡搅愕牡褂嫊r程序，這種倒計時方法使用簡單、方便，使人們對最后的發(fā)射時間有明確的目標感，容易使人的注意力集中。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法3．順序、位置顛倒法人們在使用基數(shù)79第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法在認識事物時，將事物中通常帶來好結果的屬性稱為優(yōu)點，將通常帶來壞結果的屬性稱為缺點。我們通常較多地注意事物的優(yōu)點，但是當應用條件發(fā)生變化時，可能我們需要的正是事物中原來被我們認為是缺點的某些屬性。正確地認識事物的屬性與應用條件的關系，善于利用通常被認為是缺點的屬性，有時可以便我們做出創(chuàng)造性的成果。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法在認識事物時，將事80第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法金屬易受腐蝕是它的缺點，但是有人根據(jù)金屬的腐蝕原理發(fā)明了蝕刻和電化學加工方法。機械結構的不平衡會引起轉動時的振動，利用這一原理，有人發(fā)明了用于在建筑施工中夯實地基的機械夯(蛤蟆夯)。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法金屬易受腐蝕是它的缺81第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法有一位德國的造紙技師，由于在造紙過程中的一道工序上忘記了放漿糊，致使所生產(chǎn)的紙張因為泅水而無法用于書寫，造成大量產(chǎn)品即將報廢，有人建議利用這種紙的易泅水的特點，將其作為吸墨水紙，結果使用效果非常好，工廠為此項技術申請了專利。二．逆向法第四節(jié)轉向創(chuàng)新法4．巧用缺點法有一位德國的造紙技82第五節(jié)組合創(chuàng)新法在發(fā)明創(chuàng)新活動中，按照所采用的技術的來源可分為兩類：一類是在發(fā)明中采用全新的技術原理，稱為突破型發(fā)明；另一類是采用已有的技術并進行重新組合，從而形成新的發(fā)明。進入19世紀50年代以來突破型的發(fā)明在總發(fā)明數(shù)量中所占的比重在下降，而組合型發(fā)明的比重在增加。第五節(jié)組合創(chuàng)新法在發(fā)明創(chuàng)新活動中，按照所采用的83第五節(jié)組合創(chuàng)新法組合創(chuàng)新方法是指按照一定的技術原理，通過將兩個或多個功能元素合并，從而形成一種具有新功能的新產(chǎn)品、新工藝、新材料的創(chuàng)新方法。由于形成組合的技術要素比較成熟，使得應用組合法不要求發(fā)明者對所應用的每一種技術要素都具有高深的專門知識，所以應用組合法從事創(chuàng)新活動的難度相對較低。第五節(jié)組合創(chuàng)新法組合創(chuàng)新方法是指按照一定的技術原84第五節(jié)組合創(chuàng)新法每一項技術在其初始應用的領域內(nèi)有它的初始用途，通過將其與其他技術要素重新組合，擴大了已有技術的應用范圍，更充分地發(fā)揮了已有技術的作用，推動了已有技術的進步，也推動了社會的進步。從組合的內(nèi)容區(qū)分有功能組合、原理組合、結構組合、材料組合等，從組合的方法區(qū)分有同類組合、異類組合等，從組合的手段區(qū)分有技術組合、信息組合等。第五節(jié)組合創(chuàng)新法每一項技術在其初始應用的領域內(nèi)有它的85一、功能組合有些商品的功能已被用戶普遍接受，通過組合可以為其增加一些新的附加功能，適應更多用戶的需求。帶有橡皮的鉛筆自行車現(xiàn)在汽車家用空調(diào)器有溫度顯示功能的嬰兒奶瓶一、功能組合有些商品的功能已被用戶普遍接受，通過組合可86一、功能組合多用工具一、功能組合多用工具87二、材料組合有些應用場合要求材料具有多種特征，而實際上很難找到一種同時具備這些特征的材料，通過某些特殊工藝將多種不同材料加以適當組合，可以制造出滿足特殊需要的材料。普遍V帶材料鋼筋、水泥和砂石的組合低熔點合金二、材料組合有些應用場合要求材料具有多種特征，而實際上很88三、同類組合將同一種功能或結構在一種產(chǎn)品上重復組合，滿足人們更高的要求，這也是一種常用的創(chuàng)新方法。日本松下電器公司申請的第一項專利就是帶有兩個相同插孔的電源插座。雙人自行車雙色或多色圓珠筆三、同類組合將同一種功能或結構在一種產(chǎn)品上重復組合，滿足89三、同類組合多面牙刷將多組毛刷設計在一個牙刷上，兩側的毛刷向中間彎曲，中間的一束毛刷頂部呈卷曲狀。三、同類組合多面牙刷將多組毛刷設計在一個牙刷上，兩側的毛90三、同類組合雙萬向聯(lián)軸器既可實現(xiàn)在兩個不平行軸之間的傳動，又可實現(xiàn)瞬時傳動比恒定。三、同類組合雙萬向聯(lián)軸器既可實現(xiàn)在兩個不平行軸之間的傳動91三、同類組合船舶制造中，瘦長的船身底部造型可以使船的行駛阻力減小，但同時也使船的穩(wěn)定性和靈活性降低，雙體船的造型將兩個同樣形狀的瘦長的船體做在船的底部，既減少了行駛阻力又保證了船的穩(wěn)定性和靈活性。雙體船的造型將兩個同樣形狀的瘦長的船體做在船的底部，既減少了行駛阻力又保證了船的穩(wěn)定性和靈活性。三、同類組合船舶制造中，瘦長的船身底部造型可以使船的行駛92三、同類組合V帶傳動中可以通過增加帶的根數(shù)提高承載能力，如圖所示。但是隨著帶的根數(shù)增加，由于多根帶的帶長不一致，帶與帶之間的載荷分布不均加劇，使多根帶不能充分發(fā)揮作用。圖b所示的多楔帶將多根帶集成在一起，保證了帶長的一致，提高了承載能力。三、同類組合V帶傳動中可以通過增加帶的根數(shù)提高承載能力，如圖93三、同類組合圖所示的雙蝸桿傳遞動力時可以提高承載能力，用于傳遞運動時可以提高傳動精度。三、同類組合圖所示的雙蝸桿傳遞動力時可以提高承載能力，用于傳94三、同類組合組合螺釘，由于大尺寸螺釘?shù)臄Q緊很困難，此結構在大螺釘?shù)念^部設置了幾個較小的螺釘可以使大螺釘產(chǎn)生預緊力，起到與擰緊螺釘同樣的效果。三、同類組合組合螺釘，由于大尺寸螺釘?shù)臄Q緊很困難，此結構95四、異類組合人們在從事某些活動時經(jīng)常同時有多種需要，如果將能夠滿足這些需求的功能組合在一起，形成一種新的商品，使得人們在從事活動時不會因為缺少其中某一種功能而影響活動的進行，這將會使人們工作、學習、生活更加方便，同時商品生產(chǎn)者也將獲得相應的利益。多頭螺絲刀自帶牙膏的牙刷四、異類組合人們在從事某些活動時經(jīng)常同時有多種需要，如果將能96四、異類組合收錄機計算器都具有電子表的功能，數(shù)字式電子表也具有計算器的功能。有些不同的商品具有某些相同的成分，將這些不同的商品加以組合，使其共用這些相同成分，可以使總體結構更簡單，價格更便宜，使用也更方便。四、異類組合收錄機計算器都具有電子表的功能，數(shù)字式電子表也具97四、異類組合將多種機械切削加工機床的功能加以組合，使其共用床身、動力、傳動及電器部分功能，圖所示為將車床、銑床、鉆床進行組合的多功能機床。四、異類組合將多種機械切削加工機床的功能加以組合，使98四、異類組合有些不同商品的功能人們不會同時使用，將這些不同時使用的商品功能組合在一起，通?？梢云鸬焦?jié)省空間、方便生活的作用。冷暖空調(diào)沙發(fā)床帶有折疊凳子的拐杖四、異類組合有些不同商品的功能人們不會同時使用，將這些99五、技術組臺將現(xiàn)有的不同技術、工藝、設備等加以組合，形成解決新問題的新技術手段的發(fā)明方法。隨著人類實踐活動的發(fā)展，在生產(chǎn)、生活領域里的需求也越來越復雜，很多需求都遠不是通過一種現(xiàn)有的技術手段所能夠滿足的，通常需要使用多種不同的技術手段的組合來實現(xiàn)一種新的復雜技術功能。技術組合法可分為聚焦組合法和輻射組合法。五、技術組臺將現(xiàn)有的不同技術、工藝、設備等加以組合，形成100五、技術組臺聚焦組合法是指以待解決的特定問題為中心，廣泛地尋求與解決問題有關的各種已知的技術手段，最終形成一種或多種解決這一問題的綜合方案。特點是尋求技術手段的廣泛性，要盡量將所有可能與所求解問題有關的技術手段包括在考察的范圍內(nèi)。只有通過廣泛的考察，不漏掉每一種可能的選擇，才可能組合出最佳的技術功能。五、技術組臺聚焦組合法是指以待解決的特定問題為中心，101五、技術組臺聚焦組合法經(jīng)過對溫室技術、風力發(fā)電技術、排煙技術、建筑技術等的認真分析，最后形成一種富于創(chuàng)造性的新的綜合技術——太陽能氣流發(fā)電技術。五、技術組臺聚焦組合法經(jīng)過對溫室技術、風力發(fā)電技術、排煙技術102五、技術組臺輻射組合法是指從某種新技術、新工藝、新的自然效應出發(fā)，廣泛地尋求各種可能的應用領域，將新的技術手段與這些領域內(nèi)的現(xiàn)有技術相組合，可以形成很多新的應用技術。特點是可以在一種新技術出現(xiàn)以后迅速地擴大它的應用范圍。五、技術組臺輻射組合法是指從某種新技術、新工藝、新的自然103六、信息組合法將有待組合的信息元素制成表格，表格的交叉點即為可供選擇的組合方案。將現(xiàn)有的家具及家用電器進行組合：六、信息組合法將有待組合的信息元素制成表格，表格的交叉點104六、信息組合法列在表格中參與組合的元素不但可以是完整的商品，也可以是商品的屬性，參與組合的因素可以是二維的也可以是多維的。用信息組合法分析公園游船的設計問題，從設計問題中分解出三個獨立的設計要素：船體的外形，船的推進動力，船體材料。六、信息組合法列在表格中參與組合的元素不但可以是完整的商105演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！106

機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計機械工程與自動化學院機械設計系姚立綱

機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計機械工程與自動化學院機械設計系107第四章創(chuàng)新設計方法第四章創(chuàng)新設計方法108第一節(jié)群體集智法一、智力激勵法二、書面集智法三、函詢集智法（德爾菲法）第一節(jié)群體集智法一、智力激勵法二、書面集智法三、函詢109第二節(jié)系統(tǒng)分析法一、設問探求法

二、缺點列舉法

三、希望點列舉法

四、特性列舉法

五、形態(tài)分析法第二節(jié)系統(tǒng)分析法一、設問探求法110利用設問探求法或檢核表法，人們就可以克服不愿提問或不善提問的心理障礙，從而為進一步分析問題和解決問題奠定基礎。能夠提出富有新意的問題，其本身就是一種創(chuàng)造。美國創(chuàng)造工程研究所編制出《新創(chuàng)意檢核用表》，以此作為提示人們進行創(chuàng)造性設想的工具。借鑒這種工具，設問探求法也從以下9個方面進行分項檢核，以促使設計者探求創(chuàng)意。一、設問探求法

利用設問探求法或檢核表法，人們就可以克服不愿提1111)有無其他用途?現(xiàn)有事物還有沒有新的用途?或稍加改進能擴大它的用途?2)能否借用?能否借用別的經(jīng)驗?

有無與過去相似的東西?能否模仿點什么?3)能否改變?意義、顏色、活動、音響、氣味、式樣、形狀等能否作其他改變?

1)有無其他用途?1124)能否擴大?能否增加什么?時間、頻度、強度、高度、長度、厚度、附加價值、材料能否增加?能否擴張?5)能否縮小?能否減少什么?再小點?濃縮?微型化?再低些?再短些?再輕些?省略?能否分割化小?能否采取內(nèi)裝?4)能否擴大?1136)能否代用?能否取而代之?其他材料?其他制造工藝?其他動力?其他場所?其他方法?7)能否重新調(diào)整?可否更換條件?用其他的型號?用其他設計方案?用其他順序?能否調(diào)整速度?能否調(diào)整程序?6)能否代用?1148)能否顛倒過來?可否變換正負?顛倒方位?反向有何作用?9)能否組合?混成品、成套東西是否統(tǒng)一協(xié)調(diào)?單位、部分能否組合?目的能否綜合?主張能否綜合?創(chuàng)造設想能否綜合?設問探求法被稱為“創(chuàng)造技法之母”，它適合各種類型和場合的創(chuàng)造性思考，主要基于以下幾點原因：8)能否顛倒過來?設問探求法被稱為“創(chuàng)造115例：自行車的新創(chuàng)意以自行車為創(chuàng)新設計對象，運用設問探求法提出有關自行車的新產(chǎn)品概念，結果如表所示。序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明1有無其它用途多功能保健改進自行車、組合式多功能家用健身器2能否借用自助借用機動車傳動原理，成為自助車3能否改變太空改變傳統(tǒng)形態(tài)，橢圓形鏈輪，設計出太空車例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明1有無其116例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明4能否擴大新型鞍座擴大鞍座、舒適、儲物5能否縮小兒童兒童微型車6能否代用新材料新材料、輕便、高強度例：自行車的新創(chuàng)意序號設問項目新概念名稱創(chuàng)意簡要說明117例：自行車的新創(chuàng)意7能否重新調(diào)整長度可調(diào)調(diào)整前后輪距、縮小占地空間8能否顛倒可后退開發(fā)可后退自行車、方便使用9能否組合自行車水泵三輪小型水泵與自行車結合，方便農(nóng)村使用設計三輪自行車、供兩人同乘例：自行車的新創(chuàng)意7能否重新調(diào)整長度可調(diào)調(diào)整前后輪距118五、形態(tài)分析法1、形態(tài)分析的特點

因素和形態(tài)是形態(tài)分析中的兩個基本概念。因素指構成某種事物的特性因子。如工業(yè)產(chǎn)品，可以用若干反映產(chǎn)品特定用途或功能作為基本因素。相應的實現(xiàn)各功能的技術手段，則稱之為形態(tài)。將“控制時間”作為某產(chǎn)品的一個基本因素，那么“手動控制”、“機械定時器控制”和“電腦控制”等技術手段，則為相應因素的表現(xiàn)形態(tài)。五、形態(tài)分析法119形態(tài)分析是對創(chuàng)造對象進行因素分解和形態(tài)綜合的過程。這一過程中，發(fā)散思維和收斂思維起著重要的作用。創(chuàng)造過程中，應用形態(tài)分析法的基本途徑，是先將創(chuàng)造課題分解為若干相互獨立的基本因素，找出實現(xiàn)每個因素要求的所有可能的技術手段(形態(tài))，然后加以系統(tǒng)綜合而得到多種可行解，經(jīng)篩選可獲得最佳方案。形態(tài)分析是對創(chuàng)造對象進行因素分解和形態(tài)綜合的過程。1202、形態(tài)分析法的運用程序

1)因素分析因素分析確定創(chuàng)造對象的構成因素。分析時，要使確定的因素滿足3個基本要求：一是各因素在邏輯上彼此獨立；二是在本質上是重要的；三是在數(shù)量上是全面的。如何滿足這些要求？確定哪些共同的子系統(tǒng)或過程，確定可能影響最終方案的重要因素理解因素的本質及重要性避免因素彼此包含或不重要避免遺漏因素，導致創(chuàng)造性設想遺漏。2、形態(tài)分析法的運用程序1212)形態(tài)分析列出多因素可能的全部形態(tài)(技術手段)。要求發(fā)散思維列出滿足功能要求的多種技術手段列出本專業(yè)領域的和其他專業(yè)領域的3)方案綜合采取形態(tài)學矩陣或綜合表的形式形態(tài)學矩陣綜合表，若因素為A、B、C，對應的形態(tài)分別為3、5、4個，則理論上可綜合出3×5×4＝60個方案。如A1-B2-C3為一組方案。在全體方案中，既包含有意義的方案，也包含無意義的虛假方案。2)形態(tài)分析3)方案綜合122形態(tài)因素AA1A2A3BB1B2B3B4B5CC1C2C3C44)方案評選要對可行方案進行評選，找出最佳的可行方案。評選時先要制訂選優(yōu)標準，一般用新穎性、先進性和實用性三條標準進行初評，再用技術經(jīng)濟指標進行綜合評價，好中選優(yōu)。形態(tài)AA1A2A3BB1B2B3B4123例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意1907年手動洗衣機1910年電動洗衣機例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意1907年124例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意“托爾”電動洗衣機海報1922鑄鋁桶體旋轉洗衣機例：運用形態(tài)分析法探索新型單缸洗衣機的創(chuàng)意“托爾”電1251)因素分析從洗衣機的總體功能“洗滌衣物”，得到“盛裝衣物”、“分離臟物”和“控制洗滌”等分功能，作為形態(tài)分析的3個因素。2)形態(tài)分析

對應分功能因素的形態(tài)，是實現(xiàn)這些功能的各種技術手段或方法。為列舉功能形態(tài)，應進行信息檢索，密切注意各種有效的技術手段與方法。在考慮利用新的方法時，可能還要進行必要的試驗，以驗證方法的可利用性和可靠性。1)因素分析2)形態(tài)分析1263個分功能中，“分離臟物”是最關鍵的功能因素，列舉其技術形態(tài)或功能載體時，要針對“分離”二字廣思、深思和精思，從多個技術領域(機、電、熱、聲等)去發(fā)散思考。3)列形態(tài)學矩陣并進行方案綜合經(jīng)過一系列分析和思考，在條件成熟時即可建立起表所示的洗衣機形態(tài)學矩陣。理論上可組合出4×4×3＝48種方案。3個分功能中，“分離臟物”是最關鍵的功能因素，列舉其127因素（分功能）形態(tài)（功能解）1234A盛裝衣物鋁桶塑料桶玻璃鋼桶陶瓷桶B分離贓物機械摩擦電磁振蕩熱脹超聲波C控制洗滌人工手控機械定時電腦自控4)方案評選方案1：A1-B1-C1是一種最原始的洗衣機。方案2：A1-B1-C2是最簡單的普及型單缸洗衣機。這種洗衣機通過電動機和V帶傳動使洗衣桶底部的波輪旋轉，產(chǎn)生渦流并與衣物相互摩擦，再借助洗衣粉的化學作用達到洗凈衣物的目的。因素形態(tài)（功能解）1234A盛裝衣物鋁桶塑料桶玻128方案3：A2-B3-C1是一種結構簡單的熱脹增壓式洗衣機。它在桶中裝熱水并加進洗衣粉，用手搖動使桶旋轉增壓，也可實現(xiàn)洗凈衣物的目的。方案4：A1-B2-C2所對應的方案，是一種利用電磁振蕩原理進行分離臟物的洗衣機。這種洗衣機可以不用洗滌波輪，把水排干后還可利用電磁振蕩使衣物脫水。方案5：Al-B4-C2是超聲波洗衣機的設想，即考慮利用超聲波產(chǎn)生很強的水壓使衣物纖維振動，同時借助氣泡上升的力使衣物運動而產(chǎn)生摩擦，達到洗滌去臟的目的。其他方案。。。。。。方案3：A2-B3-C1是一種結構簡單的熱脹增壓式洗衣機129圖示為超聲波洗衣機的基本原理。先在洗衣桶1內(nèi)放人要洗的衣物和洗衣粉，并注入適量的水。啟動電磁式氣泵4，壓力風經(jīng)氣泵送氣管5，風量調(diào)節(jié)器7和送氣管6至桶底部的空氣分散器2，產(chǎn)生微細氣泡，并在桶內(nèi)上升。圖示為超聲波洗衣機的基本原理。130微細氣泡相互碰撞，當逸出水面時破裂。氣泡破裂時產(chǎn)生50～30000Hz的超聲波，尤其是20000Hz以上的超聲波，可以產(chǎn)生很強的水壓，使衣物纖維振動，產(chǎn)生洗滌作用。在超聲波乳化作用的短時間內(nèi)，衣物的油脂或污垢被分離。微細氣泡相互碰撞，當逸出水面時破裂。氣泡破裂時產(chǎn)生5131磁懸浮無水洗衣機Orbit開始工作后，放入臟衣服的圓球會被磁浮力來推動，而這個速度可以把二氧化碳與有機物質產(chǎn)生像干冰的氣流。整個洗衣過程不會產(chǎn)生噪音，時間也只需數(shù)分鐘而已。磁懸浮無水洗衣機Orbit開始工作后，放入臟衣132磁懸浮無水洗衣機其操作過程非常簡單：首先用戶將衣服放入不碎玻璃制造的球體內(nèi)(不需洗衣粉和水)，然后透過頂上的觸控按鍵開機，最后把它放在環(huán)狀機上的底座板就可以了。磁懸浮無水洗衣機其操作過程非常簡單：首先用戶將133第三節(jié)聯(lián)想類比法一、聯(lián)想法

聯(lián)想是從一概念想到他概念，從一事物想到他事物的一種心理活動或思維方式。聯(lián)想思維由此及彼、由表及里，形象生動、無窮無盡。 聯(lián)想猶如心理中介，通過事物之間的關聯(lián)、比較、聯(lián)系，逐步引導思維趨向廣度和深度，從而產(chǎn)生思維突變，獲得創(chuàng)造性聯(lián)想。第三節(jié)聯(lián)想類比法一、聯(lián)想法1341、相似聯(lián)想相似聯(lián)想是從某一思維對象想到與它具有某些相似特征的另一思維對象的聯(lián)想思維。這種相似，既可能是形態(tài)上的，也可能是空間、時間、功能等意義上的。

1、相似聯(lián)想135傳統(tǒng)的金屬軋制方法如圖所示，兩軋輥反向同速轉動，板材一次成型。采用這種方法，由于一次壓下量過大，鋼板在軋制過程中極易產(chǎn)生裂紋。傳統(tǒng)的金屬軋制方法如圖所示，兩軋輥反向同速轉動，板136日本為解決上述問題冥思苦想，當技術員看到用搟面杖搟面時，其連續(xù)漸進、逐漸搟薄的過程，由此聯(lián)想，發(fā)明了行星軋輥，使金屬的延展分為多次進行，消除了鋼材裂紋，取得專利。日本為解決上述問題冥思苦想，當技術員看到用搟面杖搟137美國工程師斯潘塞在做微波空間分布情況的試驗時，發(fā)現(xiàn)衣兜內(nèi)的巧克力被熔化。常溫下什么原因使巧克力熔化呢?斯潘塞分析是微波使巧克力內(nèi)部分子發(fā)生振蕩，從而產(chǎn)生熱能。他由此聯(lián)想到，微波能熔化巧克力，一定也會使其他食品由于內(nèi)部分子振蕩而受熱，通過聯(lián)想發(fā)明了微波爐。美國工程師斯潘塞在做微波空間分布情況的試驗時，發(fā)現(xiàn)138為提高汽油在氣缸中的燃燒效率，必須使汽油與空氣均勻混合。美國工程師道立安看到用噴霧器往身上噴灑香水形成均勻霧狀的形態(tài)而聯(lián)想到了使空氣和液體均勻混合的方法，從而發(fā)明了汽車化油器。為提高汽油在氣缸中的燃燒效率，必須使汽油與空氣均勻139

章動齒輪的工作原理源于一個在桌面上繞圓周擺動的硬幣。章動傳動章動齒輪的工作原理源于一個在桌面上繞圓周擺動的140它將重錘2與浮子1浮力的平衡原理以及將回轉運動變換成直線運動的運動變換原理加以聯(lián)想和擴展，并將兩者巧妙組合，從而發(fā)明出簡單可靠的記錄儀。

浮子1的升降轉變?yōu)樾↓X輪3的轉動，從而帶動固接有記錄筆的齒條4移動，在鐘表發(fā)條機構5驅動下作勻速轉動的卷筒紙上，就可得到液位升降記錄。圖示為液面升降自動記錄儀。它將重錘2與浮子1浮力的平衡原理以及將回轉運動變換成1412、接近聯(lián)想接近聯(lián)想是從某一思維對象想到與它有接近關系的思維對象上去的聯(lián)想思維。接近關系可能是時間和空間上的，也可能是功能和用途上的，還可能是結構和形態(tài)上的等等。俄國化學家門捷列夫在1869年宣布的化學元素周期表僅有63個元素。他將其按質量排列后，看到了空間位置的空缺，其空間位置的接近性使他產(chǎn)生聯(lián)想，進而推斷出空間位置有尚未被發(fā)現(xiàn)的新元素，并給出了基本化學元素屬性。2、接近聯(lián)想俄國化學家門捷列夫在1869年宣布的化學142美國發(fā)明家威斯汀豪斯一直希望尋求一種同時作用于整列火車車輪的制動裝置。當他看到在挖掘隧道時，驅動風鉆的壓縮空氣是用橡膠軟管從數(shù)百米之外的空氣壓縮站送來的現(xiàn)象時，運用接近聯(lián)想，腦海里立刻涌現(xiàn)了氣動剎車的創(chuàng)意，從而發(fā)明了現(xiàn)代火車的氣動剎車裝置。這種裝置將壓縮空氣沿管道迅速送到各節(jié)車廂的氣缸里，通過氣缸的活塞將剎車閘瓦抱緊在車輪上，從而大大提高了火車運行的安全性，至今仍被廣泛采用。美國發(fā)明家威斯汀豪斯一直希望尋求一種同時作用于整列143

3、對比聯(lián)想客觀事物之間廣泛存在著對比關系，諸如冷與熱、白與黑、多與少、高與低、長與短、上與下、寬與窄、凸與凹、軟與硬、干與濕、遠與近、前與后、動與靜等等。對比聯(lián)想就是由事物間完全對立或存在某些差異而引起的聯(lián)想。由于是從對立的、顛倒的角度去思考問題，因而具有背逆性和批判性，常會產(chǎn)生轉變思路、出奇制勝的良好效果。3、對比聯(lián)想144l901年時的除塵器只能吹塵，飛揚的塵土令人窒息。英國人赫伯布斯運用對比聯(lián)想，吹塵不好，吸塵如何?他用捂著手絹的嘴試著吸塵土，結果成功了，他繼而發(fā)明出帶有灰塵過濾裝置的負壓吸塵器。l901年時的除塵器只能吹塵，飛揚的塵土令人窒息145在曲柄搖桿機構中，即使曲柄勻速轉動，搖桿擺動的角速度也并不均勻。工程中，有時希望搖桿能獲得近似均勻的角速度。曲柄搖桿機構是將主動件曲柄的勻速轉動變成從動件的變速運動，反過來，讓變速運動的搖桿作主動件，就可使曲柄作勻速運動，若不作整周轉動，即可得勻速擺動。在曲柄搖桿機構中，即使曲柄勻速轉動，搖桿擺動的角速146圖示為輸出件近似勻速擺動的連桿機構。該連桿機構由兩個曲柄搖桿機構對稱串聯(lián)而成，前一機構中變速擺動的搖桿3正是后一機構中的主動件。該機構中輸出件1能夠獲得120°～150°擺角的近似勻速的擺動運動，其角速度曲線如圖。圖示為輸出件近似勻速擺動的連桿機構。該連桿機構由兩1474、強制聯(lián)想強制聯(lián)想法是綜合運用聯(lián)想方法而形成的一種非邏輯型創(chuàng)造技法，是由完全無關或親緣相當遠的多個事物及間接之間，牽強附會地找出其聯(lián)系的方法。例如，椅子和面包之間的強制聯(lián)想，能引發(fā)出：面包—軟—軟呼呼的沙發(fā)；面包—熱—局部加熱的保健椅，如按摩椅、遠紅外保健椅等。4、強制聯(lián)想例如，椅子和面包之間的強制聯(lián)想，能148建筑師薩里受委托在紐約肯尼迪機場設計一座建筑。柚子那漂亮的外殼使他聯(lián)想到了與之風馬牛不相及的建筑，因而設計出了完全流線型式樣、把彎曲和環(huán)轉包涵其內(nèi)的世界一流建筑。建筑師薩里受委托在紐約肯尼迪機場設計一座建筑。柚子那漂亮149二、類比法比較分析兩個對象之間某些相同或相似之點，從而認識事物或解決問題的方法，稱為類比法。

類比法以比較為基礎。將陌生與熟悉、未知與已知相對比，這樣，由此物及于彼物，由此類及于彼類，可以啟發(fā)思路，提供線索，觸類旁通。

采用類比法關鍵是本質的類似，并且不但要分析本質的類似，還要認識到它們之間的差別，避免生搬硬套，牽強附會。二、類比法1501．擬人類比擬人類比是將人設想為創(chuàng)造對象的某個因素，設身處地想像，從而得到有益的啟示。擬人類比將自身思維與創(chuàng)造對象融為一體。在人與人關系中，設身處地地考慮問題；以物為創(chuàng)造對象時，投入感情因素，將創(chuàng)造對象擬人化，體驗問題，產(chǎn)生共鳴，從而悟出某些無法感知的因素。1．擬人類比擬人類比是將人設想為創(chuàng)造對象的某個因素，1512．直接類比

將創(chuàng)造對象直接與相類似的事物或現(xiàn)象作比較稱為直接類比。直接類比簡單、快速，可避開盲目思考。類比對象的本質特征愈接近，則成功率愈大。2．直接類比將創(chuàng)造對象直接與相類似的事物或現(xiàn)象作比較1522．直接類比物理學家歐姆將電與熱從流動特征考慮進行直接類比，把電勢比作溫度，把電流總量比作一定的熱量，終于首先提出了著名的歐姆定律。2．直接類比物理學家歐姆將電與熱從流動特征考慮進行直1533．象征類比象征類比是直覺感知，并使問題關鍵顯現(xiàn)、簡化。文學作品、建筑設計多用此法。像玫瑰花喻愛情，綠色喻春天，火炬喻光明，日出喻新生等。象征類比是借助事物形象和象征符號來比喻某種抽象的概念或思維感情。3．象征類比象征類比是直覺感知，并使問題關鍵顯現(xiàn)、1544．因果類比因果類比需要聯(lián)想，要善于尋找過去已確定的因果關系，善于發(fā)現(xiàn)事物的本質。兩事物間有某些共同屬性，根據(jù)一事物的因果關系推出另一事物的因果關系的思維方法，稱為因果類比法。4．因果類比因果類比需要聯(lián)想，要善于尋找過去已確定的1554．因果類比加入發(fā)泡劑的合成樹脂，其中充滿微小孔洞，具有省料、輕巧、隔熱、隔音等良好性能。日本的鈴木運用因果類比例尺，聯(lián)想到在水泥中加入發(fā)泡劑，結果發(fā)明了一種具有同樣優(yōu)良性能的新型建筑材料——汽泡混凝土。廣東?？邓幤饭就ㄟ^研究發(fā)現(xiàn)，牛黃生成的機理是因為混進膽囊內(nèi)的異物刺激膽囊分泌物增多，日積月累形成膽結石。他們聯(lián)想到河蚌育珠的過程，由此作因果類比，在牛的膽囊內(nèi)植入異物，果然形成膽結石——牛黃。4．因果類比加入發(fā)泡劑的合成樹脂，其中充滿微小孔洞，156三．仿生法仿生法具有啟發(fā)、誘導、拓寬創(chuàng)造思路之功效。從自然界獲得靈感，再將其應用于人造產(chǎn)品中的方法，稱為仿生法。仿生法不是自然現(xiàn)象的簡單再現(xiàn)，而是將模仿與現(xiàn)代科技手段相結合，設計出具有新功能的仿生系統(tǒng)。這種仿生存在于創(chuàng)造思維的全過程中，它是對自然的一種超越。三．仿生法仿生法具有啟發(fā)、誘導、拓寬創(chuàng)造思路之功效。1571．原理仿生蝙蝠用超聲波辨別物體位置的原理使人類大開眼界。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，蝙蝠的喉內(nèi)能發(fā)出十幾萬赫茲的超聲波脈沖。這種聲波發(fā)出后，遇到物體就會返射回來，產(chǎn)生報警回波。蝙蝠根據(jù)回波的時間確定距障礙物的距離，根據(jù)回波到達左右耳的微小時間差確定障礙物的方位。人們利用這種超聲波的探測本領，測量海底地貌、探測魚群、尋找潛艇、探測物體內(nèi)部缺陷、為盲人指路等。模仿生物的生理原理而創(chuàng)造新事物的方法稱為原理仿生法。比如模仿鳥類飛翔原理的各式飛行器；按蜘蛛爬行原理設計的軍用越野車等。1．原理仿生蝙蝠用超聲波辨別物體位置的原理使人類大1581．原理仿生烏賊靠噴水而前進，且十分迅速、靈活。人們模仿這一原理，制成了靠噴水前進的“噴水船”。這種噴水船由柴油機帶動軸流泵，軸流泵帶動的葉輪先將水吸入，再從船尾的噴水口把水猛烈噴出，靠反作用力推動船體向前行駛。香蕉皮比梨皮、蘋果皮等其他水果皮要滑。人們研究發(fā)現(xiàn)，香蕉皮由幾百個薄層構成，且層