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工程領域中的概念設計及創(chuàng)新
摘要：本文論述了工程領域中的概念設計的主要原理和功能；闡述了概念設計與創(chuàng)造性思維和技術創(chuàng)新的內(nèi)在聯(lián)系；舉出了各種創(chuàng)造性思維的形式并分析了其特點；強調(diào)技術創(chuàng)新在概念設計中的重要的作用；根據(jù)作者本人所在的設計群體多年來的設計經(jīng)驗和體會總結出一系列的創(chuàng)新技法，并結合工程設計領域中的概念設計創(chuàng)新實踐，列舉了若干種含有技術創(chuàng)新的產(chǎn)品概念設計范例。關鍵詞：工程設計，概念設計，創(chuàng)造性思維，創(chuàng)新
1 工程領域中的概念設計
現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，尤其是微電子、信息、新材料及集成技術的進展，使產(chǎn)品結構發(fā)生了革命性的變化，機電一體化、模塊化已成為工程產(chǎn)品的發(fā)展趨勢；計算機技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，深刻的影響著設計開發(fā)過程、制造過程、營銷和售后服務過程，并改變著產(chǎn)品的結構和功能；先進工藝技術和先進制造技術為現(xiàn)代工程設計提供了前所未有的工藝技術手段和社會化制造體系。這些變化都深刻地影響著工程設計的發(fā)展。
工程設計是人們運用科技知識和方法，有目標地創(chuàng)造工程產(chǎn)品構思和計劃的過程，幾乎涉及到人類活動的全部領域。工程設計的費用往往只占最終產(chǎn)品成本的一小部分（8 ~ 15%），然而它對產(chǎn)品的先進性和競爭能力卻起著決定性的影響,并往往決定70 ~ 80%的制造成本和營銷服務成本。所以說工程設計是現(xiàn)代社會工業(yè)文明的最重要的支柱，是工業(yè)創(chuàng)新的核心環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)代社會生產(chǎn)力的龍頭。工程設計的水平和能力是一個國家和地區(qū)工業(yè)創(chuàng)新能力和競爭能力的決定性因素之一。
工程設計的全過程就是不斷建立各種模型，并不斷進行綜合和分析的過程，即反復地創(chuàng)造模型和評價模型的過程。工程設計的內(nèi)容大致可分為兩類：一類是數(shù)值計算型的工作，包括大量的計算、分析、繪圖、編寫說明書和填寫各種表格；另一類是符號推理性的工作，主要是方案設計工作。在設計方法學中，前者稱之為細節(jié)設計，后者稱之為概念設計。概念設計主要包括功能設計和結構設計兩大部分。其作用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設計的早期階段，把主設計師根據(jù)產(chǎn)品功能的需求而萌發(fā)出來的原始構思和沖動形成產(chǎn)品的主體框架，及它應包括的各主要模塊和組件，以完成整體布局和外型初步設計。然后進行評估和優(yōu)化，確定整體設計方案。再由各責任設計師把總設計師的設計思想落實到具體設計中去，實現(xiàn)細節(jié)設計。可見概念設計是個創(chuàng)造性過程，它要求設計者能綜合運用許多學科的專門知識和豐富的實踐經(jīng)驗，并通過廣泛的調(diào)查研究而占有大量的信息資料，再經(jīng)過反復思考、推理和決策，才能創(chuàng)造出與眾不同的、滿足用戶要求的設計方案來。
在工程設計領域中存在這樣一個誤區(qū)：設計、構思的原始沖動是三維概念，最終設計實施之結果即產(chǎn)品也是三維形體�？墒嵌嗄陙硪远S繪圖為基礎的產(chǎn)品設計、制造模式嚴重地束縛了工程技術人員的創(chuàng)造力和想象力，成為創(chuàng)新的桎枯。
三維建模技術的崛起以及虛擬制造技術的出現(xiàn)為概念設計和創(chuàng)新提供了一種極好的工作平臺，設計師們可以直接從三維概念和構思入手，進行概念設計，形成產(chǎn)品的初步框架，然后進一步通過工程分析、數(shù)字仿真、虛擬現(xiàn)實等高新技術手段來分析和評價設計方案的可行性及未來產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性。這種設計方法尤其能充分發(fā)揮自頂向下的設計過程中,設計者的智慧和創(chuàng)新能力，不必拘泥于平面圖紙的限制和束縛，而把主要精力聚焦于創(chuàng)造性的勞動——創(chuàng)新。
2 概念設計與創(chuàng)造性思維和技術創(chuàng)新
2.1 創(chuàng)造性思維及其特點
要設計就要有創(chuàng)新，而創(chuàng)新正是設計人員進行創(chuàng)造性思維的結果。設計人員要打破習慣性思維，變換角度，開闊視野，才能使自己的創(chuàng)造力得到更充分的發(fā)揮。創(chuàng)造性思維是指有創(chuàng)建的思維，即通過思維，不僅能揭示事物的本質(zhì)，而且能在此基礎上提供新的、具有社會價值的產(chǎn)物。創(chuàng)造性思維有擴散思維和集中思維、邏輯思維和形象思維、直覺思維和靈感思維等多種形式。在工程設計的概念設計中，要努力發(fā)掘創(chuàng)造性思維的能力，充分注意擴散思維和集中思維的辨證統(tǒng)一，準確把握邏輯思維和形象思維的巧妙結合，善于捕捉直覺思維和靈感思維的“閃光和亮點”，這樣才有可能設計出新穎、獨特、有創(chuàng)意的產(chǎn)品。
創(chuàng)造性思維具有如下一些特點：
（1）獨創(chuàng)性：創(chuàng)造性思維所要解決的問題是不能用常規(guī)、傳統(tǒng)的方式解決的問題。它要求重新組織觀念，以便產(chǎn)生某種至少以前在思維者頭腦中不存在的、新穎的、獨特的思維。這就是它的獨創(chuàng)性。獨創(chuàng)性要求人們敢于對司空見慣或“完美無缺”的事物提出懷疑，敢于向傳統(tǒng)的陳規(guī)舊習挑戰(zhàn)，敢于否定自己思想上的“框框”, 從新的角度分析問題、認識問題。
（2）連動性：創(chuàng)造性思維又是一種連動思維，它引導人們由已知探索未知，開拓思路。連動思維表現(xiàn)為縱向、橫向和逆向連動�？v向連動針對某現(xiàn)象或問題進行縱深思考，探詢其本質(zhì)而得到新的啟發(fā)。橫向連動則通過某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點與它相似或相關的事物，從而得到該現(xiàn)象的新應用。逆向連動則是針對現(xiàn)象、問題或解法，分析其相反的方面，從順推到逆推，從另一角度探索新的途徑。
（3）多向性：創(chuàng)造性思維要求向多個方向發(fā)展，尋求新的思路�？梢詮囊稽c向多個方向擴散；也可以從不同角度對同一個問題進行思考、解決。
（4）善于想象：創(chuàng)造性思維要求思維者善于想象，善于結合以往的知識和經(jīng)驗在頭腦里形成新的形象，善于把觀念的東西形象化。愛因斯坦有一句名言：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉�！敝挥猩朴谙胂�，才有可能跳出現(xiàn)有事實的圈子，才有可能創(chuàng)新。
（5）突變性：直覺思維、靈感思維是在創(chuàng)造性思維中出現(xiàn)的一種突如其來的領悟或理解。它往往表現(xiàn)為思維邏輯的中斷，出現(xiàn)思想的飛躍，突然閃現(xiàn)出一種新設想、新觀念，使對問題的思考突破原有的框架，從而使問題得以解決。
2.2 概念設計呼喚技術創(chuàng)新
技術創(chuàng)新在概念設計中發(fā)揮著至關重要的作用。概念設計中技術創(chuàng)新的本質(zhì)就是要在工程設計領域中發(fā)現(xiàn)某種新事物、提出某種新思想，在很多情況下是因為現(xiàn)有的產(chǎn)品不能滿足社會（用戶）的需求而激發(fā)出的新穎構思和創(chuàng)見。技術創(chuàng)新的基礎是知識的積累和靈感的迸發(fā)，是設計人員進行創(chuàng)造性思維的結果。創(chuàng)新本身就意味著不拘一格，不局限也不依賴于某種特定的模式，以下諸多方面都是孕育技術創(chuàng)新的土壤：
（1） 多項現(xiàn)有技術的有機結合或綜合運用往往會產(chǎn)生意想不到的效果；
（2）
; 對已有知識的創(chuàng)造性總結和應用常常帶來重大的科技突破；
（3） 突發(fā)奇想但經(jīng)過科學論證或?qū)嶒炞C明所產(chǎn)生的新思路、新方法、新技術；
（4） 新知識與現(xiàn)有知識的合理嫁接；
（5） 產(chǎn)品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6） 學科間的交叉、交融和借鑒；
（7） 新技術、新材料、新工藝的有機結合及應用；
（8） 科學研究中的新發(fā)現(xiàn)和新成果應用于工程實踐……。
由此可以進一總結出多種行之有效的創(chuàng)新技法：
l 智力激勵法：又稱集智法、智暴法。即通過集會讓設計人員用口頭或書面交流的方法暢所欲言、互相啟發(fā)進行集智或激智，引起創(chuàng)造性思維的連鎖反應；
l 提問追溯法：根據(jù)研究對象系統(tǒng)地列出有關問題，逐個核對討論，從中獲得解決問題的辦法和創(chuàng)造性發(fā)明的設想，或是針對新開發(fā)產(chǎn)品的希望點（或缺點），逐點深入分析，尋找解決問題的新途徑；
l 聯(lián)想類推法：通過相似、相近、對比幾種聯(lián)想的交叉使用以及在比較之中找出同中之異、異中之同，從而產(chǎn)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新的方案；
l 反向探求法：采用背離慣常的思考方法，通過逆向思維、轉(zhuǎn)換構思，從功能反轉(zhuǎn)、結構反轉(zhuǎn)、因果反轉(zhuǎn)等方面尋求解決問題的新途徑；
l 系統(tǒng)搜索法：從一個初始狀態(tài)開始，分析影響系統(tǒng)的各個參量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更換參數(shù)等方法獲取系統(tǒng)的多種解法并求得最優(yōu)解；
l 組（綜）合創(chuàng)新法：將現(xiàn)有的技術或產(chǎn)品通過功能原理、構造方法的組合變化，或者通過已知的東西作媒介，將毫無關聯(lián)的不同知識要素結合起來，攝取各種產(chǎn)品的長處使之綜合在一起，形成具有創(chuàng)新性的設計技術思想或新產(chǎn)品；
l 知識鏈接法：創(chuàng)新是一個動態(tài)的和復雜的作用過程和知識流，它包括知識的產(chǎn)生、開發(fā)、轉(zhuǎn)移和應用，這四個階段構成一條“知識供應鏈” 并按照下述原則進行管理：把技術創(chuàng)新過程作為一個集成化的系統(tǒng)，只有將所有涉及該過程的伙伴捆綁在一起，才能發(fā)揮最大作用，這些伙伴都應明確什么知識內(nèi)容才能滿足用戶最大需求，知識轉(zhuǎn)移的特征和形式是什么，最終用戶是誰，他們何時需要使用這些知識？涉及創(chuàng)新的所有信息流和通信流對全體伙伴都是開放的，在每個知識供應者和知識使用者之間建立信息反饋，使信息交換更為有效，知識供應鏈中每一個伙伴能夠感受到整個系統(tǒng)和他們自己都從中獲得巨大利益，認識到自己是鏈中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。該方法適于更大范圍內(nèi)、更高層面上的技術創(chuàng)新。
3工程設計領域中的概念設計技術創(chuàng)新實踐
基于上述分析，我們提出了若干種含有技術創(chuàng)新的產(chǎn)品概念設計范例：
（1） 采用先進的控制、驅(qū)動和定位系統(tǒng)，由局部小畫面組成整體大畫面的可變畫面巨型燈箱廣告機的設計；
（2） 時速超過運七飛機的高速鐵路機車車身外型設計，既要滿足空氣動力學性能，又要有美觀的外型，三維CAD建模技術和NURBS曲線面理論的應用；
（3） 適應于多彎道和小半徑城市軌道交通環(huán)境下的擺式列車車身及減振轉(zhuǎn)向架的設計；
（4） 反求工程已廣泛應用于一些具有復雜曲面的實物模型（如模具）的三維數(shù)據(jù)重構，不妨借鑒用來對生物醫(yī)學圖象進行數(shù)字圖象處理，為醫(yī)務人員的臨床診斷和治療提供更逼真的三維模型和實體模型；
（5） 基于電動機——發(fā)電機可逆原理的新型電動自行車的設計，把（下坡時）車輪轉(zhuǎn)動的動能所轉(zhuǎn)化成的電能再回充給蓄電池，從而增加電動自行車蓄電池一次充電使用的續(xù)行距離；
（6） 加工中心自動換刀功能的擴展，用于東風4（11）型內(nèi)燃機車發(fā)動機端面多軸孔加工的自動換箱多軸箱設計；
（7） 把列車檢修工人的豐富經(jīng)驗升華為專家系統(tǒng)——基于加速度傳感器和單片機控制的智能式檢振錘的設計；
（8） 虛擬軸機床（并聯(lián)機床）的概念設計。
這里以鐵路機車車身
設計為例，對概念設計及創(chuàng)新的過程加以說明。
時速300公里以上的高速列車在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛應用。我國已通過論證并計劃在下世紀初建設第一條（京滬）高速鐵路。
當我們看到法國TGV（Train de la Grande Vitesse）實驗車速達到515.25公里／小時時，我們知道這已經(jīng)超過了我國“運八”飛機的時速，設計師的頭腦中自然應該產(chǎn)生這樣的概念：時速300公里的鐵路機車車頭的外型也應該像飛機那樣具有流線型和光順性，才會有較好的動力學特性�！肮忭槨币辉~的幾何意義是所構造的曲線、曲面應具有C2連續(xù)，且無奇點。從通俗的概念來理解，即為“光滑順眼”之意。
由這些概念和構思出發(fā)，我們可以由整體構思和概念設計逐步進入流線型機車車身的細節(jié)設計環(huán)節(jié)。
鐵路工業(yè)和汽車工業(yè)對車身外型設計的先進性和創(chuàng)新性的都有著一致和迫切的要求。歸納起來應是以下幾個方面：
l 具有良好的空氣動力學特性，以減少在高速運行時的摩擦阻力。
l 具有良好的結構布局及足夠的強度和剛度。
l 具有美學曲面的質(zhì)感和動感，以美化生活和環(huán)境。
l 盡可能短的設計和制造周期，以盡快地占領市場。
顯然滿足上述諸要求的車身外型曲面是相當復雜的，非一般常規(guī)曲面（如柱面、球面、錐面、環(huán)面等）所能表達。再者，若按常規(guī)設計、制造方法和過程來完成如此高要求的設計外型，則上述第四項要求更是高不可攀。只有積極謀求技術進步，大力推廣應用CAD/CAM技術才是解決車身外型改型頻繁、不斷創(chuàng)新且滿足上述各種要求的關鍵所在。
近十年來，CAD業(yè)界涌現(xiàn)出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，為我們提供了一個極好的開發(fā)工具和環(huán)境。它們的三維實體建模、參數(shù)建模及復合（Hybrid）建模技術，實體與曲面相結合的造型方法，以及自由形式特征建模（Free Form Feature Modeling）技術為我們的設計工作提供了強有力的工具。
這里具體地介紹如何使用UG的Free Form Feature等功能，來實現(xiàn)車身外型的概念設計到細節(jié)設計。
UG的Free Form Feature Modeling模塊把實體建模和表面建模技術集成為一個功能十分強大的建模工具組，它支持復雜自由曲面的造型設計。它的復合建模技術，自由型面特征建模，可視化編輯，多組件裝配，二維視圖自動生成，尤其是伴隨最新UG V14.0版本推出的全新概念設計WAVE（What-if Alternative Value Engineering）可使不同部門的工程師在設計的早期階段，站在系統(tǒng)工程的角度，同時針對多種可供選擇的方案進行評估，通過將設計意圖組織到一個“控件結構”中去，使工程師十分有效地控制設計變更，而且所發(fā)生的變更會自動地傳遞到上級設計中去。
這里以創(chuàng)建流線型機車車身外型為例，具體步驟如下：
（1） 根據(jù)前節(jié)所述模線的來源，本例參考法國TGV和德國ACE機車外型模板，并加以個性化修改。所選定的23條模型基線見于圖1。
外形模型基線 向等值半徑線云圖
以這一組模線為基礎，采用UG的Free Form Feature / Through Curve來創(chuàng)建曲面；采用Info/ Analysis / Face Curvature功能來觀察和分析該曲面的光順性，圖2即為車身外型曲面及頂面法向半徑等值線云圖。
在構造模線的原始數(shù)據(jù)中可能有“瑕點”，或者僅憑“感覺”進行判斷，創(chuàng)建的曲面不一定能完全滿足C2連續(xù)的條件和光順性的要求,可以通過光順處理予以滿足。圖3是對其中一條模線進行光順處理的過程。值得重視的是：獲得一組光順的模線是生成光順曲面的必要條件。
采用光順后的模線重新構造車身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材質(zhì)，可進行著色、光照、渲染，以得到更為逼真的三維造型圖。見圖4。
圖4 機車車身三維造型 圖5 機車車身二維投影圖
（5） 對機車車身裙部和頭部下端，可采用Feature / Curve / Mesh功能分片進行創(chuàng)建。這里充分體現(xiàn)出UG軟件對角域曲面的三維造型能力。
（6） 機車車身三維造型基本實現(xiàn)之后，還可進一步作局部修改，由于UG軟件的“相關”（Associative）能力, 這里進行的修改將影響到它所關聯(lián)的所有設計過程。
（7） 三維造型細節(jié)設計完成之后，其各方向二維視圖可由應用軟件自動生成，設計人員不必再做重復工作。圖5即為該機車車身外型的二維側(cè)視圖。
參 考 文 獻
[1] 齊從謙.汽車覆蓋件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征識別.中國機械工程:15~18
[2] 熊鳴鏑.三維設計將CAD應用引向深入.機電一體化.1997.(5):5~7
[3] 貢劍鳴.汽車車身UG設計初探.EDS UG中國用戶年會論文集:25~28
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