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机械创新设计论文
培养机械创新能力的意义
随着科技的进步时代的发展，现实社会对大学生能力的要求越来越高，特别是创新能力。
培养学生创新能力和实践能力是全面实施素质教育的重要内容。
如何开发和培养学生的创新能力，一直以来是教育改革的重大课题。
纵观历史全国各大院校始终没有停止过对教育改革的探讨，都在试图找到一条更适合本校发展的道路。
培养大学生机械创新设计能力的重要意义机械创新设计是指在充分发挥设计者创造性的前提下，利用人类已有的相关科技成果进行创新构思，从而设计出具有新颖性、创造性及实用性机构或机械产品的一种实践活动。
在当前激烈的国际竞争中，培养大学生具有较强的机械创新能力，能够促进我国机械行业的发展，逐渐使其处在国际发展水平的前列，缩短我国与发达国家的差距。
另外培养大学生具有创新能力，是高校教育的使命，体现了高校教育上升到一个新的发展水平。
机械创新中学生暴露出的主要问题
1.好高骛远。
在备战机械创新大赛的初期,学生普遍表现出好高骛远,对比赛的要求和难度估计不足,提出了很多宏大的创新设计方案,即超出了自己知识和能力所限,又在学校资金资助范围之外,更是几个人在短短的几个月不可能完成的。
2.能力不足。
由于我国过去的教育观念和体制及专业设置和课程体系等多方面的原因,我国大学生的创新能较差,这主要表现在创新意识淡薄,缺乏创新思维;只会记忆知识点应付考试,不会应用所学知识解决实际问题;知识面窄,对现代辅助设计软件应用不熟练,科技论文写作水平欠缺;动手能力较差,不能自主进行机械加工和电路制作。
3.虎头蛇尾。
大学生参加科技创新活动,开始热情很高,报名踊跃,惟恐不能参加,但随着时间的推移,问题的深入,学生容易出现畏难情绪和患得患失的现象,缺乏坚强的毅力和高度的责任感。
开始宏大的构思,遇到困难,就草草收场,能减则减。
4.单打独干。
大学生科技创新团队组织松散,易集易散。
由于团队负责人缺乏领导和组织能力,团队成员缺乏奉献精神,没有协议的约束,很容易使团队中途散伙或名存实亡。
最后设计任务完全落在项目负责人身上,出现单打独干现象。
大学生创新能力的培养途径
创新能力的培养是集学校教育、家庭教育、社会教育、终身教育于一体的教育体系共同作用的结果[3],学校教育,特别是大学阶段的教育尤为重要,中小学教育重在基础知识的积累,通用技能的获得,学习和思维方法的培养;大学教育重在专业知识的积累,特殊技能的获得,创新能力的培养。
如何营造良好的外部环境,创造具有时代性、开放性、超前性的内部条件,培养大学生的创新意识、锻炼学生的创新能力,发挥他们的创造力,是目前我国高等教育的一个重要任务。
（一）重视学生个性发展,普及创新理念创新理念不只是针对学生,更是针对学校、教师和管理干部。
转变观念就是要树立正确的学生观,即不能把学生看作消极的被管理对象,也不能把学生当作灌输知识的容器,而是要把每一个学生都看作具有创造潜能的主体、具有丰富个性的主体。
学校要重视学生的个性差异,注重学生的个性发展。
为此，应该改革传统的教育教学管理体制,例如允许未毕业的学生进行自主创业,为他们保留一定时间的学籍;鼓励学生参加各种科技创新竞赛,激励那些敢于创新的学生脱颖而出等。
（二）构建合理的课程体系,增设创新通识课程学校要调整课程体系,完善教学计划,压缩课内学时,增加课外学时,给学生更多独立思考的时间和空间,以便激活大学生的创新思维;创造能力来源于宽厚的基础知识和良好的素质,仅仅掌握单一的专业知识是不够的。
因此,加强大学生基础教育的内容更新和外延拓展及构建合理的课程体系就显得非常重要。
大学教育中要注重文、理渗透,可以对文科学生开设部分自然科学课程,对理科学生适当加强人文学科课程的教育,使文理学科之间相互渗透;实行大学科、大专业教育,使课程之间互相渗透,打破明显的课程界限,设置一些跨学科、跨专业的课程,使学生知识结构既博又专,且能够触类旁通,以便在未来的工作中具备创新的能力。
要增加选修课的比重,允许学生跨系、跨专业选修课程,使学生依托一个专业,着眼于综合性较强的跨学科训练。
开设一系列专门的创新通识课程,从思维科学或心理学、方法论的角度来探讨创造性思维的问题,如强化动因的群体激智创新创造法、扩展思路的广角发散创新创造法、把握机遇的直觉灵感创新创造法、重视分析的思维推理创新创造法、探索规律的现代科学创造法。
给学生介绍一些最基本的科研和创新方法,诸如如何选题,如何搜集、分析、整理资料,如何提炼论点（观点）,如何撰写研究报告和学术论文,如果申请专利等等。
（三）改进教学方法、转变培养模式教师要不断改革课堂教学,变传统的灌输式、填鸭式教学为启发式、互动式、引申式教学,充分调动学生思维问题的积极性,对学生提出的问题要善于引导、启发,以此激活大学生的创新思维。
千方百计、想方设法地去调动和激发学生对科研创新的兴趣。
让学生感受、理解知识产生和发展的过程,培养学生的科学精神和创新思维习惯。
积极创造条件,让学生积极参与教学过程。
传统的考试方式重视的是对已有知识的传授和记忆,这样的考试方式显然不利于学生创新能力的培养,这就要求我们改革传统的考试方式。
新的考试模式不仅要考查学生对知识的掌握,更要考查学生创造性地分析问题、解决问题的能力,以此培养学生的创新意识和创新能力。
在考试方式上,进行适量的开卷考试。
考试时允许学生带课本、笔记等资料,允许学生发表不同的意见,对那些有创造性见解的答卷要给予鼓励,力争把学生的精力引导到对问题的分析和解决上来。
有些课程也可以用综合性大作业和专题小论文的方式取代传统的闭卷考试方式,放宽考试时间限制,以便于学生们搜集资料,对有关问题做较为深入地探讨和研究。
在考试内容方面,要安排一些没有统一标准答案的探讨性问题,需要学生经过充分而深入地思考才能够做出解答;或是安排一些综合性较强的问题,需要学生运用所学理论知识经过反复、仔细地分析思考才能做出回答。
这有利于培养学生的创造性思维和创造能力,并对他们起到一种重要的导向作用。
（四）营造创新氛围,培植创新市场创新型人才的培养,文化环境的熏陶非常重要。
一方面,大学生应该主动营建自己的创新团体,如各种创新竞赛团队、大学生科技创新协会、大学生创业团队等;另一方面,大学生要积极利用好大学里的各种软、硬件方面的资源,如图书馆、实验室等,这些场所通常是培育和激发创新灵感的绝佳环境;同时,大学生还应该主动走出校门,参加社会调研,让理论和实践相结合,在社会实践中发现问题、思考问题、解决问题,并在实际活动中及时反馈,形成最后的成果。
充分利用第二课堂,定期举办各种学术讲座、学术沙龙和大学生科技报告会,出版大学生论文集,鼓励学生积极参加学术活动,对于不同领域的知识有一个大体的涉猎,进行不同学科之间的交流,从而学习他人如何创造性地解决问题的思维和方法,以强化创新意识;鼓励学生大胆创新,可以让他们参加教师的科研课题,也可以由学生自拟题目,并选派教师指导,并对学生的科研课题进行定期检查和鉴定,这样可以培养学生的创新毅力和责任心,拓展学生的视野,有效发挥他们的创造才能。
创新,不仅仅局限于实验室里,更需要将创新成果推向市场。
任何创新成果,只有不断向市场转化,得到市场的认可,才是有价值的创新成果。
当前大学生创新成果的市场化率,还不足已有研究成果的10%,除了大学生自己需要把握好创新活动的研究方向,使其更加贴近市场需求外,还需要学校和企业的共同努力。
一方面,学校要创造条件将大学生的创新成果主动推向市场,争取得到市场的认可;另一方面,作为市场主体之一的企业也要积极关注大学生的创新成果,对其予以扶持并提出宝贵的研究意见,两方面的结合将会有力地推动大学生创新成果的市场化,促进大学生创新素质的培养和创新能力的提高。
（五）建设创新必需的硬件环境,组建创新指导教师团队学校要为大学生营造创新必需的硬件环境,为大学生创新提供物质技术支持,包括开放基础研究性实验室、各种功能的专业性实验室。
要将各实验室的实验内容、功能在网上宣传,让学生了解其使用程序。
学校要有必需的技能训练中心、加工中心,让学生能够自己动手实现其创新构思。
学校还应该为大学生创新提供研究资金支持等。
配备高水平的、相对稳定的创新指导教师团队,是大学生创新活动成败的关键。
要培养创新型人才,学校教师队伍要有创新的意识、创新的精神以及创新的行动和实践。
世界各国著名大学的共同经验证明,高素质的师资队伍是决定一所大学核心竞争力的关键所在。
从一定意义上说,现在中国大学与世界一流大学的差距,主要是教师队伍水平的差距。
教师的创新激情、学术水平、治学态度直接影响学生的创新活动。
指导教师团队的专业背景应该尽量涵盖创新必需的技术领域,知识具有互补性,能为学生创新活动提高全面的技术支持。
（六）提供创新政策保障,建立相应激励措施创新,需要一个良好的政策环境,使更多的学生愿意创新、乐于创新。
创新的政策环境包括设立大学生创新基金、创新实践学分、创新成果表彰和免试读研等。
设立创新研究基金的目的就是对那些具有创新性、科学性、实用性、可行性的大学生研究项目予以一定的资金保障,使学生不会因为资金问题而不去参与创新实践。
设立创新实践学分的目的就是对参与创新实践活动的学生予以一定的学分认可,鼓励学生将自己的业余时间用于创新,不仅有参与创新实践的收获,还能得到学分的认可,使更多的学生愿意把业余时间花在创新实践上。
建立竞争激励机制,举办各种形式的竞赛活动,对在创新方面成绩突出的学生进行表彰和奖励,对获得国家级或省（部）级创新成果的学生,以及在校内外创新实践活动中做出成绩的学生,可申请免修与之相关的课程学分、课程设计或毕业设计（论文）,可以免试推荐研究生等。
机械产品的使用寿命优点
优秀的设计是延长机械使用寿命的首要环节。
我国的大型施工项目中的主要土石方工程用机械设备主要是采用以上发达国家进口产品，这些设备外观新颖、操作舒适、性能先进、经久耐用。
他们根据人体工程学设计的座椅、操纵台、环保型的低噪声发动机，超前的流线型机身和驾驶舒适感，具有良好的机械性能和人性化设计，深受机驾人员的欢迎。
如果机械维修性好，易于维修，能够采用“低成本的快速修理”，可使机件经常处于良好的技术状态。
这样设计的施工机械，在工作过程中，一旦出现了故障，由于可以低成本快速修理，无需更换新部件总成，这实际上就延长了机械的使用寿命、提高了机械完好率、降低了机械的使用成本。
1.
采用新材料制造的施工机械，可以有效地延长机械的使用寿命。
近年来，材料科学技术发展日新月夜，突飞猛进。
大量高强度，抗磨损，抗振动和抗冲击的新材料、纳米技术材料、先进的电子元件技术不断出现，设计机器时应根据机械性能与工况选用相适应的新材料，从材料性能质量上保证其使用寿命。
机械产品的可靠性
随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，使产品发生故障的机会增多，因而，可靠性作为产品质量的主要指标，愈来愈受到工程界的重视。
机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件、规定的时间内完成规定功能的能力。
机械的可靠性是机械设计的主要目的之一，有效地增强产品质量、降低产品成本、减轻整机质量、提高可靠性和作业效率是可靠性设计的主要目标。
随着工业技术的发展，机械产品性能参数日益提高，结构日趋复杂，使用场所更加广泛，产品的性能和可靠性问题也就越来越突出。
机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。
科技研究人员和工程设计人员积极投入到可靠性工程的研究与实践之中，取得了可喜的成果。
张义民[1]结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等可靠性设计理论与方法内涵与递进。
陈静等[2]阐述了机械产品优化设计及可靠性的相关理论，介绍了可靠性优化设计的应用及发展现状，并介绍了机械行业相关的软件应用情况。
喻天翔等[3]对当前机械可靠性的特点和争议进行介绍，从Bayesian理论、FMECA和疲劳可靠性试验三个方面总结了机械可靠性试验技术相关的重要理论问题及其发展，并阐述了可靠性增长试验、加速试验和微机械可靠性试验技术的国内外发展，总结了机械可靠性试验技术研究存在的问题及其发展趋势。
1可靠性设计
1.1可靠性设计
传统的机械设计方法认为零件的强度和应力都是单值，只要计算出的安全系数大于规定的安全系数，就认为零件是安全的，因而设计过程中忽略了各设计参数的随机性。
可靠性设计将零件的应力和强度作为随机变量，认为应力受到各种环境因素（温度、腐蚀、粒子辐射等）的影响，具有一定的分布规律；强度受材料的性能、工艺环节的波动和加工精度等的影响，也是具有一定的分布规律。
可靠性设计认为所设计的任一机械存在着一定的失效可能性，设计时根据需要预先控制的失效概率或可靠度，考虑各参数的随机性及分布规律，以反映出零部件的实际工作状况。
产品的可靠性表示产品在规定使用条件和使用期限内，保持其正常技术性能完成规定功能的能力。
可靠性设计的一个目标是计算可靠度，可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。
其表达式为：
式中fx（X）为基本随机参数向量
的联合概率密度；g（X）为状态函数，可表示零件的不同状态：
g（X）>0为安全状态，g（X）<0为失效状态，g（X）=0为极限状态方程。
现代生产的经验表明，在设计、制造和使用产品的三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠性，而制造和使用是保证产品可机械可靠性分析与设计的方法很多，总体上可以归纳成两类，即数学模型法与物理原因法。
数学模型法是指可靠性遵从由某种试验数据获得的概率统计规律，而物理原因法是指考虑失效的物理原因的方法。
1.2动态可靠性设计
经典的可靠性设计理论不能考虑结构系统的动力学行为，为了弥补这种缺失必须开展动态可靠性的研究。
动态可靠性是指产品在运动或振动状况下的可靠性，“动态”强调结构系统中所包含的动态特性（如：
振动频率、输出响应、能量传递等），由于机械产品的特性及参数（如：
强度、应力、物理变量、几何尺寸等）具有固有的随机性，同时机械产品运行是也是典型的动态过程，载荷、工况、应力等运行环境及参数也都是随时间变化的量，因而必须将其处理为随机过程。
不考虑动态特性将难以得到产品准确的失效数据和可靠性信息，这必然使可靠性的研究从静态可靠性向动态可靠性转变。
另外，多数机械产品的特性数值随时间而逐渐变化，如：
因疲劳、磨损、腐蚀等造成的机械强度降低等，使产品的可靠性表现出了渐变的特征。
可见将机械动力学与机械可靠性有机地结合起来，研究动态可靠性设计的基础理论与方法具有重要意义。
2可靠性优化设计
机械优化设计是随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一门学科，在现代机械设计中占有重要的地位。
机械产品优化设计的目的是以最少的材料，最低的造价，最简单的工艺，实现机械结构靠性指标的实现。
可靠性试验数据是可靠性设计的基础，但是试验不能提高产品的可靠性，只有设计才能决定产品的固有可靠性。
机械产品与可靠性的关系框图见图1。
的最优性能，包括强度、刚度、稳定性等目标。
当然设计时既要考虑各种载荷的随机性，又要考虑结构参数的随机性，以及二者对产品性能的影响。
机械优化设计追求最合理的利用材料的性能，使各个部件或零件的几何参数得到最好的协调，使设计者从众多的设计方案中获得较为完善的或最为合适的最优设计方案。
优化设计数学模型的3个要素是目标函数、约束条件和设计变量。
虽然目前可靠性设计和优化设计在理论和方法上都达到了一定的水平，但是无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力。
一方面是因为可靠性设计有时并不等于优化设计，例如机械产品在经过可靠性设计后，并不能保证它的工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面是因为优化设计并不一定包含可靠性设计，例如机械产品在没有考虑可靠性的状态下进行优化设计后，并不能保证它在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能，甚至发生故障和事故，造成损失。
另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的可靠性设计方法就显得无能为力了。
所以应该进行可靠性优化设计的研究，使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数。
可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。
它将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起，也就是说在优化设计中将设计参数作为随机变量，以产品的可靠度作为目标函数或约束条件，运用最优化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。
由于它弥补了单一可靠性设计或优化设计的不足，使设计不仅符合工况运行要求，而且得出最优的设计参数，因而更具有工程实用价值。
可靠性优化设计，一般包含三方面的内容：
质量、成本、可靠度，把产品的总体可靠度作为性能约束的优化，将会产生与合理安全性相协调的平衡设计，也就是在给定结构布局和给定产品质量或成本之下，使产品有最大的可靠度。
相对于常规的优化设计，可靠性优化设计的特点在于将可靠性设计引入优化设计当中。
将可靠性设计理论与优化技术结合起来通常有两种方法：
（1）要求结构或零部件在满足一定性能的条件下，使其可靠度达到最大。
（2）在结构或零部件达到最佳性能指标时，要求它的工作可靠度不低于某一规定水平。
3机械可靠性试验技术
可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。
其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，为改善产品的战备完好性，提高任务成功率，减少维修费用及保障费用提供信息，确认是否符合可靠性定量要求。
可靠性试验可分为工程试验和统计试验两大类，工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷，并采取纠正措施加以排除。
这种试验由承制方进行，以研制样机为受试产品，包括环境应力筛选试验及可靠性增长试验。
环境应力筛选是施加环境应力到产品，以发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷等潜在缺陷为目的试验方法。
可靠性增长试验是为了暴露产品的可靠性薄弱环节，并证明改进措施能防止可靠性薄弱环节再现而进行的一系列可靠性试验方法。
4结论
可靠性优化设计是在常规优化设计的基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。
本文在总结现有文献的基础上对机械可靠性优化设计进行综述，系统阐述了机械可靠性、可靠性设计、可靠性优化设计及可靠性试验的理论及方法。
人机工程学
随着时代的进步、科技的发展，人机工程学的理论研究日益成熟，但如今人机工程学理论在实际设计生产过程中的应用还是以个案的改进为主。
此外，产品造型一直是设计中一个十分棘手的向题，造型设计实践中常常走入为了变化而变化的设计误区，造成形态苍白而缺乏内涵的设计局面，这些状况体现了设计者缺乏对产品设计本质的认识与思考；对于产品而言，究其根本，产品是工具，它是为人服务，产品的价值体现在产品与人的结合关系以及所带来的效用上，因此人与产品的关系及针对两者之间关系的认知研究才是产品造型设计中人机工程知识应用研究的核心。
1人机工程学知识
1.1人机工程学是一门技术科学、人体科学以及社会科学相交叉的综合性新兴边缘学科，它与产品造型设计关系密切，是产品设计工作者和社会科学工作者共同研究的课题。
目前国内外对人机工程学的解释有多种，但在研究对象、手段及目的方面是基本一致的：
即主要研究如何根据人的生理、心理特点及要求来设计、布置机器设备、仪表（包括劳动工具）等，设计、安排工作场所及工作环境，使人的劳动更合理，使机器设备、仪表、工具等便于操作，从而达到改善劳动条件、减少能量消耗、减轻疲劳、降低事故发生率和提高工作效率的目的。
简而言之，人机工程学就是研究人与机器设备之间的相互关系及其合理配合，使之更适合人的生理、心理特点，进而使劳动环境更安全舒适，使人机系统的工作效率达到最佳化的一门学科[1]。
1.2造型设计中人机工程学知识研究的内容在当今的产品造型设计与开发中，产品的宜人性、创新性、适用性等因素越来越受到设计方与使用。
人机工程学知识在产品设计过程中的应用地位也得到提高。
其一，人机工程知识的研究是使产品功能得到最佳发挥的基础条件，如果没有人、机之间的科学配套，产品的合理使用无从谈起，产品的造型语言也不能体现产品所具备的使用细节；
其二，人机工程知识的研究探索实践了关于人的科学，其中对人的活动、生产、生活的研究已经成为新产品开发的重要推动力。
在产品造型设计过程中的人机系统设计主要研究内容有4个方面。
1）人与产品造型的关系因素研究。
人作为设计的主体对象是产品设计中人机研究的重点，也是人机研究的基础；人的自然属性（如人体形态特征参数、人的感知特性、人的反应特性以及人在操作产品过程中的心理特征等）与人的社会属性（如人的社会行为、价值观念、人文环境、社会背景文化等）都是影响人与产品造型的重要关系因素。
2）人机的系统关系因素研究。
人机的系统关系优化是为了创造最优的人机配合，优化的尺度关系、舒适的环境关系、可辨识的界面关系都是充分发挥人、机各自的特点，相互配合、协调工作的重要因素，两者之间的系统设计问题也是人和产品有机交流的重要前提。
3）产品的人机环境因素研究。
产品的造型设计要符合产品的使用环境，产品的内部环境也要对人的健康与效率负责，重视细节的微观内部环境与重视系统关系的宏观外部环境构成了产品人机环境因素的主体。
4）产品的人机安全性因素研究。
产品的安全性因素可分为2个方面，对使用者来讲不仅需要高效的操作，更需要将事故危险性减小到最低限度，这就需要有相应的防护、保险、余量、防失误、事故控制、求援方法等等安全性的设计因素；此外，产品的人机安全也需要反映到延长产品的操作寿命与降低操作者的使用破坏性等因素。
2设计的认知在产品设计的人机工程学研究中需要对人—机—环境这3个因素进行分析，见图1，三者相互依存、相互制约；但是，因为各自研究方法和研究思想不同，也所属不同的研究领域，因此要实现人—机—环境的优化组合，难度是相当大的。
此外，虽然许多设计工作者已经有组织地对人—机—环境三者之间的关系进行实验研究，并积累了大量有关数据，但是对这些数据的综合运用仍是凭经验进行，因而这种人机研究与应用的方式难以取得人—机—环境匹配的最佳效果。
因此，如何将产品造型设计中人机工程的知识内容应用到产品造型设计中成为人机研究的瓶颈。
产品造型设计活动是对目标对象所进行的造型信息处理的过程，针对人机工程学知识而言，这是从初始的人机知识—抽象的设计概念提炼—具体的造型与结构的过程，人机设计信息是不断发展变化的，如何有效地描述和处理设计对象及其相关信息是产品造型设计的基本问题，这也就是人机工程学知识的设计认知所需要解决的问题。
2.1产品信息的交流系统产品的最终造型是产品设计过程中各类信息的载体，使用者正是直接的通过造型符号来阅读产品设计中的各种信息。
因此，从设计的表达上看造型设计的符号是对设计对象的描述，从含义上看造型设计中的符号也承载了设计对象的相关属性信息。
基于人机知识的产品信息交流系统模型见图2，人机工程学知识的信息符号与设计对象的对应关系组成了产品。
信息交流系统模型；设计对象的造型符号在所承载信息的支持下，代表设计对象在各个设计阶段进行产品信息建模，是符
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